⚛️ high-energy experiments

Strategy and performance of the CMS long-lived particle trigger program in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV

Este artículo presenta las mejoras y el rendimiento de los disparadores dedicados para partículas de vida larga más allá del modelo estándar en el experimento CMS, utilizando datos de colisiones protón-protón recolectados a 13.6 TeV durante el periodo de la Fase 3 (Run 3) de 2022–2024.

Autores originales: CMS Collaboration

Publicado 2026-09-24

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CC BY 4.0

Autores originales: CMS Collaboration

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El universo está construido sobre un conjunto de reglas conocidas como el modelo estándar, una teoría que describe con éxito cómo interactúan las partículas más pequeñas conocidas. Sin embargo, esta teoría deja grandes preguntas sin respuesta, como la naturaleza de la materia oscura o por qué hay más materia que antimateria. Los físicos sospechan que las piezas faltantes del rompecabezas podrían estar ocultas en una clase de partículas que no se comportan como las que vemos todos los días. Estas partículas hipotéticas se denominan partículas de vida larga. A diferencia de las partículas ordinarias que desaparecen casi instantáneamente después de ser creadas, las partículas de vida larga pueden recorrer una distancia mensurable a través de un detector antes de decaer o desaparecer. Podrían moverse lentamente, decaer lejos del punto donde nacieron o dejar señales extrañas y retrasadas que el equipo estándar no está diseñado para captar. Encontrarlas es crucial porque podrían ser la clave para comprender la materia oscura que mantiene unidas a las galaxias.

Para cazar a estos viajeros elusivos, el experimento CMS en el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza hace chocar protones a velocidades tremendas. Las colisiones resultantes crean una lluvia de partículas que salen disparadas en todas direcciones, pasando a través de un detector masivo y multicapa. El desafío es que el detector ve millones de colisiones cada segundo, y no puede guardar datos de cada una de ellas. Debe tomar decisiones en fracciones de segundo para conservar solo los eventos más interesantes. Durante años, los sistemas informáticos que tomaban estas decisiones estaban programados para buscar partículas que aparecen inmediatamente en el punto de colisión. Esto significaba que si una partícula nueva y extraña viajaba unos pocos centímetros o incluso varios metros antes de decaer, el sistema de disparo (trigger) probablemente la ignoraría, asumiendo que era simplemente ruido de fondo. El artículo presentado aquí detalla una actualización importante de este sistema de toma de decisiones, diseñado específicamente para captar estas partículas de vida larga durante la última fase de funcionamiento del colisionador.

Los investigadores describen un programa integral de nuevos filtros digitales, o disparadores (triggers), que fueron introducidos en el detector CMS entre 2022 y 2024. Estas nuevas herramientas permiten al experimento buscar firmas que antes eran invisibles. En lugar de simplemente esperar a que una partícula aparezca justo en el centro de la colisión, los nuevos disparadores pueden detectar una partícula que aparece más tarde, más lejos o con un tiempo diferente al esperado. El equipo probó estos sistemas utilizando datos recolectados durante 2022–2024, correspondientes a luminosidades integradas de hasta 123 fb⁻¹, un volumen de información que requirió que el detector funcionara a su máxima capacidad. Encontraron que estas nuevas estrategias identificaron con éxito eventos que habrían sido descartados por el sistema anterior, ampliando efectivamente la red para la nueva física.

Uno de los cambios más significativos involucra cómo el detector rastrea las partículas que parecen desvanecerse. En algunos escenarios, una partícula cargada puede viajar una corta distancia dentro de la cámara de seguimiento y luego decaer en algo que el detector no puede ver. Para la computadora, esto parece una traza que simplemente se detiene en el aire. Los nuevos disparadores están programados para buscar estas "trazas desaparecidas" verificando si una partícula de alta energía de repente no tiene impactos en las capas exteriores del detector. Otro nuevo enfoque se centra en partículas que llegan tarde. Debido a que la luz viaja a una velocidad constante, una partícula pesada y de movimiento lento tardará más en llegar a los sensores externos que una de movimiento rápido. El sistema actualizado ahora puede medir el tiempo de llegada preciso de los depósitos de energía en los calorímetros, las partes del detector que absorben la energía de las partículas. Si un chorro (jet) de partículas llega unos cuantos miles de millones de segundo más tarde de lo esperado, los nuevos disparadores lo marcan como una potencial partícula de vida larga.

El artículo también detalla cómo el experimento busca partículas que decaen dentro del sistema de muones, la capa más externa del detector. Normalmente, los muones pasan a través del detector en línea recta, dejando un rastro limpio de impactos. Sin embargo, una partícula pesada de vida larga podría decaer dentro de esta capa exterior, creando una lluvia caótica de cientos de impactos en un área pequeña. Los nuevos disparadores están diseñados para reconocer este patrón específico de cúmulos de alta multiplicidad, distinguiéndolos de los rastros limpios de los muones ordinarios. Además, el equipo desarrolló métodos para buscar partículas que decaen cuando los haces de protones ni siquiera están colisionando. Estas partículas "detenidas" podrían viajar a través del detector, detenerse en el blindaje metálico denso y decaer en las ventanas de tiempo vacías entre los trenes de haces, específicamente en cruces de haces al menos dos intervalos después de cualquier colisión de protones. Los disparadores especiales se activan durante estos momentos de quietud para captar estas señales retardadas.

El rendimiento de estas nuevas herramientas fue probado contra una variedad de modelos teóricos, incluyendo aquellos que involucran supersimetría y sectores ocultos de la física. Los resultados muestran que los nuevos disparadores son altamente efectivos. Por ejemplo, el sistema ahora puede detectar chorros de partículas que se originan desde un punto de decaimiento a varios metros del centro de colisión, una región que anteriormente era difícil de acceder. La eficiencia para encontrar estos eventos ha mejorado drásticamente en comparación con la fase anterior del colisionador, con algunos nuevos disparadores ofreciendo hasta diez veces más sensibilidad para ciertos tipos de señales. Los investigadores también demostraron que estos disparadores pueden trabajar juntos, cubriendo diferentes distancias y tipos de decaimientos para asegurar que no se pierda ninguna señal potencial.

Una parte clave de este éxito es la capacidad de manejar la inmensa tasa de datos del colisionador. Los nuevos disparadores son lo suficientemente sofisticados como para filtrar el abrumador fondo de colisiones ordinarias mientras mantienen los eventos raros y extraños. El equipo utilizó una técnica llamada "scouting" (exploración), donde guardan solo la información resumida más importante sobre un evento en lugar de los datos brutos, lo que les permite mantener una tasa mucho más alta de eventos interesantes. Este enfoque ya ha conducido a la publicación de nuevas búsquedas de dimuones desplazados y jets desplazados, que muestran una sensibilidad comparable o incluso superior a búsquedas anteriores, a pesar de utilizar una fracción de los datos.

El artículo concluye describiendo cómo estas mejoras sientan las bases para el futuro. A medida que el colisionador se dirija hacia energías y luminosidades aún más altas en los próximos años, la capacidad de detectar partículas de vida larga se volverá aún más crítica. Los nuevos algoritmos y actualizaciones de hardware descritos aquí ya han demostrado su valor, convirtiendo al detector CMS en un instrumento más versátil capaz de ver lo invisible. Al expandir el rango de lo que la máquina puede observar, los investigadores han abierto una nueva ventana a las leyes fundamentales de la naturaleza, acercándonos a la comprensión de los sectores ocultos del universo que, hasta ahora, han permanecido fuera de nuestro alcance.

Resumen Técnico: Estrategia y Rendimiento del Programa de Disparadores para Partículas de Larga Vida en Colisiones Protón-Protón a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV

Planteamiento del Problema
El Modelo Estándar (SM) de la física de partículas, aunque preciso, no logra explicar fenómenos tales como la materia oscura, la asimetría materia-antimateria o las masas de los neutrinos. Las teorías más allá del Modelo Estándar (BSM) a menudo predicen la existencia de Partículas de Larga Vida (LLP, por sus siglas en inglés) con vidas medias macroscópicas. A diferencia de las partículas de decaimiento inmediato, las LLP pueden recorrer distancias mensurables desde el punto de interacción primario (IP) antes de decaer, o atravesar el detector por completo. Los algoritmos de disparo (triggers) estándar en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) están optimizados para objetos inmediatos, asumiendo que las partículas se originan en el IP. En consecuencia, suelen ser ineficientes para las firmas de las LLP, que pueden implicar vértices desplazados, tiempos de llegada retardados, trazas desaparecidas o decaimientos que ocurren fuera del volumen de seguimiento (tracking). El experimento CMS requiere estrategias dedicadas para capturar estas firmas no convencionales sin exceder los límites de ancho de banda de adquisición de datos.

Metodología
Este documento detalla el programa de disparadores de CMS para el Run 3 (2022–2024) diseñado para identificar las LLP utilizando datos de colisiones protón-protón a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV, correspondientes a luminosidades integradas de hasta 123 fb $^{-1}$ . La metodología implica un enfoque multicapa a través del Disparador de Nivel 1 (L1T) y el Disparador de Alto Nivel (HLT), aprovechando las capacidades específicas de los subdetectores:

Algoritmos Basados en el Rastreador (Tracker):
- Trazas Desaparecidas (Disappearing Tracks): Utiliza el momento transversal faltante ( $p^{\text{miss}}_T$ ) y trazas aisladas de alto $p_T$ sin energía asociada en el calorímetro. El HLT reconstruye trazas con patrones específicos de falta de impactos (por ejemplo, falta de impactos en las capas externas) para identificar partículas cargadas que decaen en estados indetectables dentro del rastreador.
- Taus Desplazados (Displaced Taus): Implementa un algoritmo de reconstrucción de HLT dedicado para leptones tau ( $\tau_h$ ) con decaimiento hadrónico que no se originan en el IP. Esto implica una iteración de seguimiento modificada utilizando únicamente impactos en detectores de tiras (strips) y un algoritmo de Hadrons-plus-Strips (HPS) relajado.
- Jets Desplazados (Displaced Jets): Emplea información de seguimiento para marcar jets con pocas o ninguna traza inmediata. Las mejoras del Run 3 incluyen requisitos de etiquetado "inclusivo" y "desplazado", utilizando seguimiento iterativo para reducir las tasas manteniendo la eficiencia para las LLP de baja masa.
Algoritmos Basados en el Calorímetro:
- Temporización y Profundidad del HCAL: Aprovecha la mejora de la Fase I del Calorímetro Hadrónico (HCAL), que proporciona segmentación de profundidad y precisión de temporización (vía Convertidores de Tiempo-a-Digital). Los algoritmos L1T identifican jets "retardados" (que llegan >6 ns después de las partículas inmediatas) y jets "desplazados" (depósitos de energía profundos en el calorímetro con depósitos mínimos superficiales).
- Temporización del ECAL: Utiliza las capacidades de temporización del Calorímetro Electromagnético (ECAL) para activar disparadores de fotones y electrones retardados, particularmente para firmas de difotones.
- CalRatio: Una ruta específica de HLT que apunta a jets con una alta Fracción de Energía de Hadrones Neutros (NHEF), indicativa de decaimientos que ocurren dentro del calorímetro hadrónico.
Algoritmos Basados en el Espectrómetro de Muones:
- Muones Desplazados: Utiliza buscadores de trazas no restringidos al eje del haz en L1T y HLT para reconstruir muones con desplazaciones transversales ( $d_0$ ) significativas.
- Lluvia de Muones (Muon Detector Showers, MDS): Detecta cúmulos de impactos de alta multiplicidad en las Cámaras de Tiras de Cátodo (CSC) y Tubos de Deriva (DT) causados por las LLP que decaen dentro del sistema de muones. La lógica L1T comprime el conteo de impactos para identificar lluvias, mientras que el HLT reconstruye cúmulos 3D para rechazar fondos.
- Scouting: Los disparadores de scouting de dimuones almacenan tamaños de evento reducidos (objetos reconstruidos solamente) a altas tasas, lo que permite umbrales de bajo $p_T$ (hasta 3 GeV) para acceder a las LLP de baja masa.
Algoritmos No-BPTX:
- Disparadores activos únicamente durante cruces de haces vacíos (No-BPTX) para detectar las LLP detenidas que decaen después de que el haz ha pasado, apuntando a partículas extremadamente longevas como los gluinos detenidos.

Contribuciones Clave
El documento presenta la primera descripción exhaustiva del programa de disparadores de LLP de CMS para el Run 3, introduciendo varios algoritmos novedosos y mejoras significativas a los existentes:

Nuevas Capacidades de L1T: Implementación de disparadores de jets para LLP a nivel de hardware utilizando la información de temporización y profundidad del HCAL, y disparadores MDS en CSCs.
Innovaciones de HLT: Introducción de la reconstrucción de $\tau_h$ desplazados, disparadores CalRatio y rutas mejoradas para muones y jets desplazados.
Optimización del Rendimiento: Despliegue de seguimiento acelerado por GPU (PATATRACK, mkFit) y técnicas de aprendizaje automático (DEEPJET, PARTICLENET) para manejar el aumento de la interacción múltiple (pileup, hasta 63.6) manteniendo una baja latencia.
Flujos de Datos: Uso estratégico de flujos de datos "almacenados" (parked) y de "scouting" para reducir los umbrales de los disparadores y aumentar la aceptación para firmas de LLP raras o de baja energía.

Resultados
El rendimiento de estos disparadores se evalúa mediante simulaciones y datos de 2022–2024:

Tasas: Los disparadores dedicados a las LLP representan aproximadamente el 10%, 5% y 18% de la tasa total en los flujos de datos estándar, almacenados y de scouting, respectivamente. La tasa "pura" (eventos únicos para los disparadores de LLP) es alta, demostrando la extensión del alcance físico.
Ganancias de Eficiencia:
- Jets Desplazados: Los disparadores de jets desplazados del Run 3 muestran una mejora de eficiencia de 4 a 17 veces respecto al Run 2 para las LLP de baja masa ( $10 < m_S < 60$ GeV). Comparados con los disparadores estándar de alto $H_T$ , ofrecen más de 20 veces mayor eficiencia para firmas específicas.
- Jets Retardados: Los disparadores de jets retardados basados en ECAL mejoran significativamente la eficiencia para estados finales de bajo $H_T$ en comparación con las estrategias del Run 2.
- MDS: Los disparadores dedicados de MDS en CSC proporcionan un aumento sustancial de la aceptación sobre las estrategias previas basadas en $p^{\text{miss}}_T$ para las LLP que decaen en el sistema de muones.
Complementariedad: El documento demuestra que diferentes estrategias de disparo cubren distintas regiones del detector (rastreador, ECAL, HCAL, sistema de muones) y el espacio de fase cinemático (desplazamiento $c\tau$ , masa, $p_T$ ), asegurando una amplia cobertura para diversos modelos BSM (por ejemplo, AMSB, GMSB, Hidden Valley, Dark Sector).

Significancia
El documento afirma que el programa de disparadores de LLP del Run 3 mejora significativamente la sensibilidad del experimento CMS a la nueva física. Los análisis tempranos utilizando estos disparadores ya han demostrado una sensibilidad comparable o superior a los resultados del Run 2 con significativamente menos luminosidad integrada (por ejemplo, una mejora de un factor de 10 en la sensibilidad para jets desplazados). El programa establece una base sólida para futuras búsquedas, incluyendo las del HL-LHC (Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad), al proporcionar las herramientas necesarias para reconstruir y activar topologías de eventos no convencionales que los algoritmos estándar pasarían por alto. El trabajo subraya la necesidad de información específica del detector y arquitecturas de disparadores personalizadas para explorar plenamente el espacio de parámetros BSM.

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