Erweiterung der LHC-Suchen mit versetzten Myonpaaren

Die Entdeckung eines neuen Teilchens, des Higgs-Bosons, am Large Hadron Collider (LHC) und die darauffolgenden Messungen seiner Eigenschaften waren ein Erfolg für den LHC wie auch für die Theorie, die als Standardmodell der Teilchenphysik bezeichnet wird. Gleichzeitig scheint diese Standardtheorie unvollständig zu sein, da sie eine Reihe grundlegender Fragen der Teilchenphysik nicht erklären kann. Um einige dieser wichtigen Fragen zu beantworten, versuchen Theoretiker, sie zu erweitern und sagen noch unentdeckte Teilchen und Kräfte vor. Wir möchten daher in den verfügbaren Daten und den Daten, die wir in den folgenden Jahren aufzeichnen werden, nach Anzeichen neuer Teilchen suchen. Viele dieser erweiterten Theorien sagen neue Teilchen voraus, die nur sehr schwach mit den bekannten Teilchen wechselwirken würden. Dies bedeutet, dass sie nach ihrer Entstehung in LHC-Kollisionen mehr Zeit benötigen, wieder zu bekannten Teilchen zu zerfallen. Infolgedessen können sie Zentimeter oder sogar Meter zurücklegen, bevor sie zu nachweisbaren Teilchen zerfallen. Diese Art der experimentellen Signatur ist eine Herausforderung und wurde bisher nur spärlich untersucht. Mit Techniken die noch nie zuvor verwendet wurden, möchten wir Suchen nach neuen, langlebigen Teilchen in Daten ermöglichen die das CMS Experiment im nächsten Lauf des LHC aufzeichnen wird.. Wir konzentrieren uns auf eine prominente, spektakuläre, theoretisch gut motivierte und dennoch sehr wenig abgedeckte Signatur: Myonpaare, die aus dem Zerfall solcher neuen Teilchen in Entfernungen von bis zu mehreren Metern vom Kollisionspunkt hervorgehen. Solche Myonen können unter Verwendung der Myondetektoren, die sich in den äußersten Schichten des CMS befinden, erfasst und rekonstruiert werden. Die Analyse der bereits gesammelten Daten zeigte auf mehrere Einschränkungen, insbesondere im Triggersystem, das definiert, welche Kollisionen aufgezeichnet werden. Die Limitationen verhindern derzeit die Erforschung langlebiger Teilchen mit großer Lebensdauer und / oder geringer Masse. Wir planen, einen neu entwickelten Prozessor zu nutzen, der in der Elektronik des CMS-Triggers implementiert wird und Algorithmen verwendet, die speziell darauf abzielen, versetzte Teilchenspuren in Myondetektorsignalen zu finden. Aufbauend auf dieser Verbesserung werden wir die Empfindlichkeit unserer Suche nach langlebigen Teilchen, die zu versetzten Myonpaaren zerfallen, erheblich erweitern und es CMS ermöglichen, in den Daten, die in den nächsten Jahren gesammelt werden, ein vielversprechendes Neuland der Physik jenseits des Standardmodells zu erkunden.

Das Standardmodell der Teilchenphysik kann eine Fülle von Messungen der Eigenschaften elementarer Bestandteile der Materie beschreiben, sei es am "Large Hadron Collider" (LHC) des CERN oder anderen Experimenten. Allerdings hat es keine Erklärung für einige wichtige Phänomene, wie z.B. der Evidenz für Dunkle Materie in unserem Universum. Viele Vorschläge für ein erweitertes Modell sagen neue Teilchen voraus, die nur schwach mit bekannter Materie wechselwirken würden, darunter solche, die Teil der Dunklen Materie sein könnten. Dieses Projekt hatte die Suche nach solch schwer fassbaren Teilchen in hochenergetischen Proton-Proton-Kollisionen zum Ziel, aufgezeichnet durch das CMS Experiment am LHC. Schwach wechselwirkende, ungeladene Teilchen könnten einen Großteil des Detektors durchqueren ohne eine Spur zu hinterlassen, bevor sie in bekannte Teilchen zerfallen. Die Studie konzentrierte sich auf Fälle, in denen solche "versetzte" Zerfälle in makroskopischer Distanz vom ursprünglichen Kollisionspunkt erfolgen und ein Paar von Myonen mit entgegengesetzter Ladung erzeugen - das gesuchte "Signal". Der Nachweis dieser Ereignisse ist herausfordernd, weil sich die ursprüngliche Optimierung der LHC Detektoren auf Teilchen aus der Nähe dieses Kollisionspunkts konzentrierte. Ein wesentlicher Aspekt des Projekts war die Verbesserung der ersten Stufe der Auswahl von Ereignissen, implementiert in anwendungsspezifischer Elektronik: nur ein winziger Teil aller Kollisionsereignisse kann für spätere Auswertung aufgezeichnet werden. In diesem Stadium des Auswahlprozesses unterschätzen Standardalgorithmen den Impuls von "versetzten" Myonen, was zu einem substantiellen Verlust von Signalereignissen führt. Im Rahmen des Projekts wurden neue, komplexere Algorithmen entwickelt und zum Einsatz gebracht, welche dieses Manko beheben und die Wahrscheinlichkeit, stark versetzte Zerfälle aufzuzeichnen, mehr als verdreifachten. Eine weitere Herausforderung war die optimale Verwertung der reduzierten Information, die für die Rekonstruktion zur Verfügung steht: in Abhängigkeit von der Distanz zum Kollisionspunkt erzeugen versetzte Myonen weniger oder keine Messpunkte im inneren Spurdetektor. In der Studie wurden CMS Daten aus 2022 ausgewertet, dem ersten Jahr des LHC "Run-3". Nur neun Monate nach der Datennahme konnten dank dieses Projekts die ersten Run-3 Resultate direkter Suchen nach neuen Teilchen durch eines der großen LHC Experimente öffentlich gemacht werden. Die Zahl an beobachteten Ereignissen stimmt mit dem erwarteten Untergrund aus bekannten Quellen - Standardmodell-Prozesse, Myonen aus kosmischer Strahlung und Detektoreffekte - überein. Die Resultate die möglichen Parameter zweier vorgeschlagener Standardmodellerweiterungen stark einzuschränken, wobei mit einer 2.5-fach kleineren Datenmenge eine ähnliche Empfindlichkeit wie in vorhergegangenen Studien erreicht wurde. Kombiniert mit diesen Studien konnten die weltweit stärksten Randbedingungen für eines der Modelle erzielt werden, das ein "dunkles Photon" vorhersagt. Die Ergebnisse wurden in einer Dissertation beschrieben, in einem Fachjournal publiziert und an den wichtigsten internationalen Konferenzen präsentiert. Darüber hinaus stehen die experimentellen Resultate für die Überprüfung zukünftiger, neuer Modelle zur Verfügung. Im Rahmen des Projekts wurden auch Ansätze für weitere Optimierung und die beste Nutzung des zukünftigen vollen LHC Run-3 Datensatzes erarbeitet.