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

Het universum is gebouwd op een reeks regels die bekend staat als het standaardmodel, een theorie die succesvol beschrijft hoe de kleinste bekende deeltjes met elkaar interageren. Toch laat deze theorie belangrijke vragen onbeantwoord, zoals de aard van donkere materie of waarom er meer materie dan antimaterie is. Natuurkundigen vermoeden dat de ontbrekende stukjes van de puzzel verborgen kunnen liggen in een klasse deeltjes die zich niet gedragen als de deeltjes die we dagelijks om ons heen zien. Deze hypothetische deeltjes worden langlevende deeltjes genoemd. In tegenstelling tot gewone deeltjes, die bijna onmiddellijk na hun creatie verdwijnen, kunnen langlevende deeltjes een meetbare afstand door een detector afleggen voordat ze vervallen of verdwijnen. Ze kunnen traag bewegen, ver van het punt waar ze geboren zijn vervallen, of vreemde, vertraagde signalen achterlaten die de standaardapparatuur niet is ontworink om te vangen. Het vinden ervan is cruciaal, omdat ze de sleutel kunnen zijn tot het begrijpen van de donkere materie die sterrenstelsels bij elkaar houdt.

Om deze ongrijpbare reizigers op te sporen, laat het CMS-experiment bij de Large Hadron Collider in Zwitserland protonen met enorme snelheden op elkaar botsen. De resulterende botsingen creëren een wolk van deeltjes die alle kanten op vliegen en door een massieve, meerlagige detector passeren. De uitdaging is dat de detector miljoenen botsingen per seconde ziet, en het kan niet de data voor elke botsing opslaan. Het moet in een fractie van een seconde beslissingen nemen om alleen de meest interessante gebeurtenissen te bewaren. Jarenlang waren de computersystemen die deze beslissingen nemen geprogrammeerd om te zoeken naar deeltjes die onmiddellijk bij het botsingspunt verschijnen. Dit betekende dat als een nieuw, vreemd deeltje enkele centimeters of zelfs enkele meters reisde voordat het verviel, het triggersysteem het waarschijnlijk zou negeren, uitgaande van achtergrondruis. Het artikel dat hier wordt gepresenteerd, beschrijft een belangrijke upgrade van dit beslissingssysteem, specifiek ontworpen om deze langlevende deeltjes op te vangen tijdens de laatste run van de collider.

De onderzoekers beschrijven een uitgebreid programma van nieuwe digitale filters, of triggers, die tussen 2022 en 2024 aan de CMS-detector zijn toegevoegd. Deze nieuwe instrumenten stellen het experiment in staat om te zoeken naar handtekeningen die voorheen onzichtbaar waren. In plaats van alleen te wachten tot een deeltje direct in het centrum van de botsing verschijnt, kunnen de nieuwe triggers een deeltje detecteren dat later, verder weg, of met een andere timing dan verwacht verschijnt. Het team testte deze systemen met data verzameld tijdens 2022–2024, wat overeenkomt met geïntegreerde luminositeiten van tot 123 fb⁻¹, een volume aan informatie waarbij de detector op zijn hoogste capaciteit moest draaien. Ze stelden vast dat deze nieuwe strategieën succesvol gebeurtenissen identificeerden die door het oude systeem zouden zijn weggegooid, waardoor het net voor nieuwe fysica effectief werd verbreed.

Een van de meest significante veranderingen betreft de manier waarop de detector deeltjes volgt die lijken te verdwijnen. In sommige scenario's kan een geladen deeltje een korte afstand afleggen binnen de sporendetector en vervolgens vervallen in iets dat de detector niet kan zien. Voor de computer ziet dit eruit als een spoor dat simpelweg halverwege in de lucht stopt. De nieuwe triggers zijn geprogrammeerd om naar deze "verdwijnende sporen" te zoeken door te controleren of een hoogenergetisch deeltje plotseling geen hits meer heeft in de buitenste lagen van de detector. Een andere nieuwe strategie richt zich op deeltjes die laat arriveren. Omdat licht met een constante snelheid reist, zal een zwaar, traag bewegend deeltje er langer over doen om de buitenste sensoren te bereiken dan een snel bewegend deeltje. Het geüpgradede systeem kan nu de exacte aankomsttijd van energieafzettingen in de calorimeters meten, de onderdelen van de detector die deeltjesenergie absorberen. Als een jet van deeltjes enkele miljardsten van een seconde later arriveert dan verwacht, markeren de nieuwe triggers dit als een potentieel langlevend deeltje.

Het artikel beschrijft ook hoe het experiment zoekt naar deeltjes die vervallen binnen het muon-systeem, de buitenste laag van de detector. Normaal gesproken passeren muonen de detector in een rechte lijn en laten ze een schoon spoor van hits achter. Echter, een zwaar, langlevend deeltje zou binnen deze buitenste laag kunnen vervallen, wat een chaotische storm van honderden hits in een klein gebied veroorzaakt. De nieuwe triggers zijn ontworpen om dit specifieke patroon van hoog-multipliciteitsclusters te herkennen en ze te onderscheiden van de schone sporen van gewone muonen. Daarnaast heeft het team methoden ontwikkeld om te zoeken naar deeltjes die vervallen wanneer de protonenbundels zelfs niet botsen. Deze "gestopte" deeltjes kunnen door de detector reizen, tot stilstand komen in de dichte metalen afscherming en vervallen in de lege tijdvensters tussen de bundelpassages (bunch crossings), specifiek in de intervallen van minstens twee bundelpassages verwijderd van enige protonbotsingen. Speciale triggers worden geactiveerd tijdens deze stille momenten om deze vertraagde signalen op te vangen.

De prestaties van deze nieuwe instrumenten werden getest tegen een verscheidenheid aan theoretische modellen, waaronder die met betrekking tot supersymmetrie en verborgen sectoren van de fysica. De resultaten tonen aan dat de nieuwe triggers zeer effectief zijn. Zo kan het systeem nu jets van deeltjes detecteren die afkomstig zijn van een vervalpunt dat zich enkele meters van het botsingscentrum verwijderd bevindt, een regio die voorheen moeilijk toegankelijk was. De efficiëntie van het vinden van deze gebeurtenissen is drastisch verbeterd vergeleken met de vorige run van de collider, waarbij sommige nieuwe triggers een tot tien keer betere gevoeligheid bieden voor bepaalde soorten signalen. De onderzoekers hebben ook aangetoond dat deze triggers samen kunnen werken, waarbij ze verschillende afstanden en typen verval dekken om ervoor te zorgen dat er geen potentieel signaal wordt gemist.

Een cruciaal onderdeel van dit succes is het vermogen om de enorme datastroom van de collider te verwerken. De nieuwe triggers zijn geavanceerd genoeg om de overweldigende achtergrond van gewone botsingen weg te filteren, terwijl ze de zeldzame, vreemde gebeurtenissen behouden. Het team gebruikte een techniek genaamd "scouting", waarbij ze alleen de meest belangrijke samenvattende informatie over een gebeurtenis opslaan in plaats van de ruwe data, waardoor ze een veel hoger aantal interessante gebeurtenissen kunnen behouden. Deze aanpak heeft al geleid tot de publicatie van nieuwe zoektochten naar gedisplaceerde dimuonen en gedisplaceerde jets, die een gevoeligheid vertonen die vergelijkbaar met of zelfs beter is dan eerdere zoektochten, ondanks het gebruik van slechts een fractie van de data.

Het artikel concludeert door te schetsen hoe deze verbeteringen de basis leggen voor de toekomst. Naarmate de collider in de komende jaren naar nog hogere energieën en luminositeiten beweegt, zal het vermogen om langlevende deeltjes op te sporen nog kritischer worden. De nieuwe algoritmen en hardware-upgrades die hier worden beschreven, hebben hun waarde al bewezen door de CMS-detector te transformeren tot een veelzijdiger instrument dat in staat is om het onzichtbare te zien. Door het bereik van wat de machine kan observeren uit te breiden, hebben de onderzoekers een nieuw venster geopend op de fundamentele wetten van de natuur, waardoor we dichter bij het begrijpen van de verborgen sectoren van het universum komen die tot nu toe buiten ons bereik bleven.