Illustration de deux types de particules à vie longue se désintégrant en une paire de muons, montrant comment les signaux des muons peuvent être retracés jusqu’au point de désintégration des particules à vie longue à l’aide des données du traqueur et des détecteurs de muons. Crédit : CMS/CERN
Cette recherche de particules exotiques à vie longue examine la possibilité de « photon« , qui se produirait lorsqu’un boson de Higgs se désintégrerait en muons déplacés dans le détecteur.
L’expérience CMS a présenté sa première recherche de nouvelle physique utilisant les données de la troisième période d’exploitation du Large Hadron Collider. La nouvelle étude examine la possibilité d’une production de « photons sombres » lors de la désintégration des bosons de Higgs dans le détecteur. Les photons sombres sont des particules exotiques à vie longue : « longue vie » parce qu’elles ont une durée de vie moyenne de plus d’un dixième de milliardième de seconde – une durée de vie très longue en termes de particules produites dans le LHC – et « exotiques » parce que ils ne font pas partie du modèle standard de la physique des particules.
Le Modèle standard est la théorie principale sur les éléments fondamentaux de l’Univers, mais de nombreuses questions de physique restent sans réponse, et c’est pourquoi les recherches sur les phénomènes au-delà du Modèle standard se poursuivent. Le nouveau résultat de CMS définit des limites plus contraignantes sur les paramètres de désintégration des bosons de Higgs en photons sombres, réduisant ainsi davantage la zone dans laquelle les physiciens peuvent les rechercher.
Théorie des photons sombres et détection de particules
En théorie, les photons sombres parcourraient une distance mesurable dans le détecteur CMS avant de se désintégrer en « muons déplacés ». Si les scientifiques devaient retracer les traces de ces muons, ils constateraient qu’elles n’atteignent pas jusqu’au point de collision, car les traces proviennent d’une particule qui s’est déjà éloignée d’une certaine distance, sans aucune trace.
La troisième exploitation du LHC a débuté en juillet 2022 et présente une luminosité instantanée plus élevée que les précédentes exploitations du LHC, ce qui signifie que les chercheurs peuvent analyser davantage de collisions à tout moment. Le LHC produit des dizaines de millions de collisions chaque seconde, mais seuls quelques milliers d’entre elles peuvent être stockées, car l’enregistrement de chaque collision consommerait rapidement toute la capacité de stockage des données disponibles. C’est pourquoi CMS est équipé d’un algorithme de sélection de données en temps réel appelé trigger, qui décide si une collision donnée est intéressante ou non. Par conséquent, ce n’est pas seulement un volume plus élevé de données qui pourrait aider à révéler des preuves de l’existence du photon sombre, mais également la manière dont le système de déclenchement est ajusté pour rechercher des phénomènes spécifiques.
Avancées dans le système de déclenchement et la collecte de données
«Nous avons vraiment amélioré notre capacité à déclencher sur des muons déplacés», explique Juliette Alimena de l’expérience CMS. «Cela nous permet de collecter beaucoup plus d’événements qu’auparavant avec des muons déplacés du point de collision sur des distances allant de quelques centaines de micromètres à plusieurs mètres. Grâce à ces améliorations, si des photons sombres existent, CMS a désormais beaucoup plus de chances de les trouver.
Le système de déclenchement CMS a joué un rôle crucial dans cette recherche et a été particulièrement affiné entre les essais 2 et 3 pour rechercher des particules exotiques à longue durée de vie. En conséquence, la collaboration a pu utiliser le LHC plus efficacement, obtenant un résultat solide en utilisant seulement un tiers de la quantité de données des recherches précédentes. Pour ce faire, l’équipe CMS a affiné le système de déclenchement en ajoutant un nouvel algorithme appelé algorithme de muons non pointés. Cette amélioration signifie que même avec seulement quatre à cinq mois de données de l’Exécution 3 en 2022, davantage d’événements de muons déplacés ont été enregistrés que dans l’ensemble de données beaucoup plus vaste de l’Exécution 2 de 2016-2018. La nouvelle couverture des déclencheurs augmente considérablement les plages de quantité de mouvement des muons captés, permettant à l’équipe d’explorer de nouvelles régions où des particules à vie longue pourraient se cacher.
Plans futurs et exploration continue
L’équipe CMS continuera à utiliser les techniques les plus puissantes pour analyser toutes les données recueillies au cours des années restantes des opérations de la troisième période d’exploitation, dans le but d’explorer davantage la physique au-delà du modèle standard.
