Dagli anni '60, gli scienziati hanno scoperto più di una dozzina di particelle fondamentali. Si sono tutti adattati perfettamente al quadro teorico noto come Modello Standard, la migliore descrizione che i fisici hanno del mondo subatomico.
Il bosone di Higgs, scoperto congiuntamente dagli esperimenti CMS e ATLAS presso il Large Hadron Collider del CERN nel 2012, è stata l'ultima particella fondamentale prevista dal Modello standard.
Nonostante questa importante scoperta, gli scienziati hanno ancora molte domande sugli elementi fondamentali dell’universo. I ricercatori sanno che il Modello Standard è incompleto e non può spiegare molti fenomeni fisici; la materia oscura ne è un esempio notevole.
Gli scienziati di tutto il mondo stanno spingendo oltre i limiti del modello standard e sono alla ricerca di nuove particelle che possano aiutare a spiegare domande in sospeso sul funzionamento interno dell'universo.
"Il nostro compito è trovare nuove particelle", ha affermato Cristian Peña, coordinatore del gruppo CMS sulle particelle esotiche e scienziato presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. "Siamo qui per questo."
Peña e altri scienziati del Fermilab hanno recentemente collaborato con i loro colleghi internazionali sul CMS per creare un nuovo strumento che consenta loro di scovare particelle che possono viaggiare da 1 a 10 metri prima di decadere in sottoprodotti più stabili.
Ora gli scienziati stanno analizzando il nuovo set di dati prodotto da questo strumento. Secondo Peña, o troveranno una nuova fisica, oppure fisseranno i limiti più rigorosi nella ricerca di particelle a vita lunga:una classe di particelle teoriche che possono viaggiare in profondità nel rivelatore prima di creare segnali visibili.
"Il nostro set di dati non raddoppia più ogni sei mesi come avveniva all'inizio del programma", afferma Sergo Jindariani, uno scienziato senior del Fermilab. "I luoghi in cui potremmo ancora fare rapide scoperte sono dove non abbiamo mai guardato prima, e le particelle a vita lunga ne sono un esempio."
Quando gli scienziati costruirono gli esperimenti per l'LHC, presumevano che le nuove particelle si sarebbero comportate come quelle che avevano scoperto in passato e sarebbero decadute molto rapidamente. Ad esempio, il quark top, scoperto al Fermilab nel 1995, ha una vita media di circa 5×10 −25 secondi. Questo è così breve che i quark top decadono prima di potersi spostare per la lunghezza di un atomo di idrogeno. Ma ora sempre più scienziati mettono in dubbio questa ipotesi.
"Abbiamo cercato ovunque e finora non abbiamo trovato risultati", ha detto Peña. "Sappiamo che possiamo fare meglio sfruttando la durata delle particelle."
Gli scienziati sanno già che le particelle hanno una vasta gamma di vite. Ad esempio, i quark bottom possono viaggiare per pochi millimetri prima di decadere, mentre i muoni possono viaggiare per poche centinaia di metri. Oggi gli scienziati si chiedono:e se ci fossero nuove particelle che si trovano da qualche parte nel mezzo?
Anche se queste particelle a vita lunga sono estremamente rare, CMS avrà comunque buone possibilità di vederle se vengono prodotte dall'LHC.
"Il sistema muonico CMS ha molto materiale, quindi se le particelle a vita lunga stanno decadendo all'interno del nostro rivelatore, dovremmo vedere uno sciame di particelle nelle camere muoniche", ha detto Peña. "La firma è molto potente."
Ma la domanda era se gli scienziati riuscissero a trovare questi inattesi sciami di particelle nascosti nei loro dati. L’LHC produce circa un miliardo di collisioni protone-protone ogni secondo. Poiché oltre il 99,99% delle collisioni genera particelle e fenomeni fisici poco interessanti, gli scienziati utilizzano dispositivi di smistamento dei dati chiamati trigger. I trigger selezionano il primo 0,01% degli eventi da elaborare e archiviare nella griglia informatica mondiale di LHC e scartano il resto.
"CMS è un rilevatore di grande successo", ha affermato Jindariani. "Rispetta davvero la fisica per cui è stato progettato. Ma le particelle a vita lunga non erano qualcosa che le persone avevano in mente quando progettavano il sistema di attivazione CMS."
Il team si è reso conto che se volevano aumentare le possibilità di trovare particelle a vita lunga con l'esperimento CMS, avrebbero dovuto aggiornare il trigger CMS per cercare la firma sorprendente e peculiare che queste particelle dovrebbero lasciare nel rilevatore. /P>
"Con un trigger dedicato, abbiamo visto che potevamo guadagnare un ordine di grandezza nella sensibilità di queste ricerche", ha affermato Jindariani.
Ma aggiornare il trigger è sempre un’impresa complicata. Ha richiesto l'aiuto e la competenza di ricercatori e ingegneri durante tutta la collaborazione CMS. Jindariani ha sottolineato che il sistema di attivazione si basa su numerosi flussi di dati provenienti da diverse parti del rilevatore. Questi flussi di dati funzionano come le strade di una città e consentono ai dati di fluire dalle parti più esterne del rilevatore al centro di elaborazione "downtown", dove i dati vengono compilati e rapidamente valutati da algoritmi. Aggiungere un nuovo flusso di dati è come aggiungere una pista ciclabile in un'area metropolitana già trafficata.
"Dovrebbe coesistere con altri fattori scatenanti", ha detto Jindariani. "È un'operazione delicata; non vogliamo danneggiare ciò che già esiste."
Dopo un'analisi approfondita dell'attivazione del CMS e discussioni con i collaboratori, il team ha capito che era possibile, grazie ad alcuni frammenti inutilizzati rimasti dal progetto originale. Ma poi è arrivata la sfida di implementare effettivamente il nuovo trigger nell'elaborazione dei dati dell'esperimento.
"Una volta che tutti erano stati coinvolti nell'implementazione concettuale, dovevamo passare al firmware e al software", ha affermato Jindariani.
Il firmware fornisce istruzioni macchina di base che consentono all'hardware, in questo caso, array di gate programmabili sul campo, di funzionare secondo l'algoritmo programmato. Gli FPGA possono essere molto veloci ma spesso non sono molto dinamici.
"Gli FPGA hanno una potenza di elaborazione limitata e gli algoritmi di trigger CMS sono piuttosto affamati di risorse", ha affermato Jindariani. "Dovevamo essere intelligenti per non sopraffare le capacità degli FPGA."
Poiché l'LHC fa collidere i protoni ogni 25 nanosecondi, anche il loro nuovo innesco doveva essere veloce.
"Siamo bloccati in intervalli di tempo", ha detto Jindariani. "L'algoritmo deve essere eseguito entro poche centinaia di nanosecondi. Se impiega più tempo, non è abbastanza buono. Questo lavoro è stato possibile solo grazie alla collaborazione di un forte team di scienziati e ingegneri."
Anche dopo aver risolto le sfide relative alla gestione delle risorse e ai tempi, il team ha dovuto ancora affrontare alcuni intoppi imprevisti. Durante la fase di test hanno visto che il grilletto veniva attivato ad ogni collisione. Dopo ulteriori analisi, hanno scoperto che ciò era dovuto al malfunzionamento del trasmettitore su uno dei sistemi di muoni.
"Si trattava di un problema che esisteva già prima, ma gli altri fattori scatenanti non lo vedevano perché non lo stavano cercando", afferma Jindariani.
Una volta risolti tutti i problemi, il trigger ha valutato tutte le collisioni dell'LHC avvenute all'interno del rilevatore CMS tra il 2022 e il 2023:circa 10 16 , ovvero 10 milioni di miliardi, e abbiamo raccolto un set di dati con circa 10 8 eventi. Gli scienziati stanno attualmente analizzando questo nuovo set di dati e sperano di ottenere i primi risultati quest'estate.
"Questo trigger è una delle grandi innovazioni all'interno del CMS", afferma Peña. "Troveremo nuove particelle oppure, se la natura non lo vuole, stabiliremo limiti più rigorosi sulle particelle a vita lunga."
Fornito da Fermi National Accelerator Laboratory
