Долгоживущие частицы: новая мишень исследований на Большом адронном коллайдере

С 1960-х годов было открыто более дюжины фундаментальных частиц, каждая из которых стала частью Стандартной модели — наиболее полного на сегодняшний день описания субатомного мира. Однако, несмотря на открытие бозона Хиггса в 2012 году экспериментами CMS и ATLAS в Большом адронном коллайдере (БАК) ЦЕРНа, остаются вопросы о строении Вселенной, на которые Стандартная модель не способна дать ответы. В частности, такие явления, как тёмная материя, остаются за рамками её объяснений.

В своих стремлениях найти новые частицы, которые помогут ответить на нерешённые вопросы, учёные по всему миру разработали новый инструмент. Он позволяет отслеживать частицы, способные преодолевать от 1 до 10 метров до своего распада на более стабильные продукты. Кристиан Пенья, руководитель группы по изучению экзотических частиц CMS и учёный из Национальной лаборатории Ферми, подчеркнул: «Мы занимаемся поиском новых частиц, в этом наша задача».

Важным аспектом в поиске является возможность обнаружения долгоживущих частиц на БАК, даже если они крайне редки. «Система мюонов CMS содержит много материала, так что, если долгоживущие частицы распадаются внутри нашего детектора, мы должны увидеть частицы в мюонных камерах», - говорит Пенья. Проблема заключалась в обнаружении этих неожиданных «душ» частиц среди огромного количества данных. БАК ежесекундно генерирует около миллиарда столкновений протонов, и лишь небольшая их часть содержит интересующие учёных события. Для выделения значимых данных используются специальные устройства — триггеры, отбирающие 0,01% событий для дальнейшей обработки и сохранения.

Серго Джиндариани, старший учёный из Фермилаба, отметил, что рост объёма данных замедлился по сравнению с начальным периодом программы, что делает важным поиск в новых областях, таких как долгоживущие частицы. При проектировании экспериментов для БАК исходили из предположения, что новые частицы будут вести себя подобно уже открытым и распадаться очень быстро. Теперь учёные рассматривают возможность существования новых частиц с промежуточными временами жизни, что открывает новые горизонты для исследований.

Обновление системы триггера CMS было ключевым моментом для улучшения шансов на обнаружение долгоживущих частиц. Новый триггер значительно повысил чувствительность поисков, хотя его внедрение потребовало совместных усилий исследователей и инженеров всего коллаборационного сообщества CMS. Эти усилия привели к сбору данных о примерно 10⁸ событиях, которые сейчас находятся в процессе анализа. Ученые надеются получить первые результаты летом.

Этот прорыв может либо привести к открытию новых частиц, либо, если природа распорядится иначе, установить более строгие ограничения на существование долгоживущих частиц.