⚛️ high-energy experiments

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

本文介绍了在利用 2022–2024 年 Run 3 期间收集的 13.6 TeV 质子-质子碰撞数据时，CMS 实验中针对超越标准模型长寿命粒子的专用触发器所进行的改进与性能表现。

原作者： CMS Collaboration

发布于 2026-09-24

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原作者： CMS Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

宇宙建立在一套被称为标准模型的规则之上，该理论成功描述了已知最微小粒子是如何相互作用的。然而，这一理论仍留下了许多未解之谜，例如暗物质的本质，或者为什么物质比反物质更多。物理学家怀疑，拼图缺失的部分可能隐藏在一类与我们日常所见的粒子行为不同的粒子中。这些假设中的粒子被称为长寿命粒子（long-lived particles）。与那些在产生后几乎瞬间消失的普通粒子不同，长寿命粒子可以在衰变或消失之前，在探测器中穿行一段可测量的距离。它们可能移动缓慢，在远离出生点的地方发生衰变，或者留下标准设备无法捕捉到的奇怪、延迟的信号。寻找它们至关重要，因为它们可能是理解维系星系运转的暗物质的关键。

为了搜寻这些难以捉摸的旅行者，位于瑞士的大型强子对撞机（LHC）中的 CMS 实验通过极高速度使质子发生碰撞。由此产生的碰撞会产生向四面八方飞散的粒子流，穿过一个巨大的多层探测器。挑战在于，探测器每秒会看到数百万次碰撞，它无法保存每一次碰撞的数据。它必须在瞬间做出决策，仅保留那些最有意义的事件。多年来，用于做出这些决策的计算机系统一直被编程为寻找出现在碰撞点即刻发生的粒子。这意味着，如果一种新奇特的粒子在碰撞点几厘米甚至几米处才出现，触发系统很可能会忽略它，认为它只是背景噪声。本文详细介绍了针对该决策系统的一次重大升级，该升级专门设计用于在对撞机的最新运行阶段捕捉这些长寿命粒子。

研究人员描述了一套在 2022 年至 2024 年间引入 CMS 探测器的综合数字滤波器程序，即触发器。这些新工具使实验能够观察到以前无法看到的特征。新触发器不再仅仅等待粒子出现在碰撞中心，而是可以识别出那些出现较晚、位置较远或时间与预期不符的粒子。团队使用 2022-2024 年期间收集的数据对这些系统进行了测试，这些数据对应的积分亮度高达 123 fb⁻¹，这一数据量要求探测器必须以最高负荷运行。他们发现，这些新策略成功识别了那些会被旧系统丢弃的事件，有效地扩大了发现新物理学的网。

其中一项最重要的变化涉及如何追踪那些看似“消失”的粒子。在某些情景下，一个带电粒子可能在径迹室内部飞行一小段距离，然后衰变成探测器无法看到的物质。对于计算机而言，这看起来就像是一条在半空中突然中断的径迹。新触发器通过检查高能粒子是否在探测器外层突然没有检测到任何命中（hits），从而被编程用于寻找这些“消失的径向径迹”（disappearing tracks）。另一种新策略则侧重于那些到达时间较晚的粒子。由于光速是恒定的，重且慢的粒子到达外层传感器的时间会比快速运动的粒子更长。升级后的系统现在可以测量能量沉积在量热计（即吸收粒子能量的部分）中的精确到达时间。如果一个粒子喷注（jet）比预期晚了数十亿分之一秒到达，新触发器就会将其标记为潜在的长寿命粒子。

论文还详细介绍了实验如何寻找在缪子系统（探测器最外层）内发生衰变的粒子。通常情况下，缪子会沿直线穿过探测器，留下清晰的命中轨迹。然而，一个沉重的长寿命粒子可能会在这一外层发生衰变，在狭小区域内产生数百个命中的混乱簇。新触发器旨在识别这种特定的高多重性簇（high-multiplicity clusters）模式，从而将它们与普通缪子的清晰轨迹区分开来。此外，团队还开发了寻找在质子束流甚至不在碰撞状态下发生衰变的粒子的方法。这些“停驻”粒子可能会穿过探测器，停留在致密的金属屏蔽层中，并在束流包（bunch crossings）之间至少间隔两个时段的空闲时间窗口内发生衰变。专门的触发器会在这些安静时刻激活，以捕捉这些延迟信号。

这些新工具的性能已针对各种理论模型进行了测试，包括涉及超对称和隐藏物理扇区的模型。结果表明，这些新触发器非常有效。例如，该系统现在可以检测到起源于距离碰撞中心数米之外的衰变点的粒子喷注，而这一区域在以前是难以触及的。与对撞机的上一个运行阶段相比，寻找这些事件的效率有了显著提高，某些新触发器对特定类型信号的灵敏度提高了多达十倍。研究人员还展示了这些触发器可以协同工作，覆盖不同的距离和衰变类型，以确保不会遗漏任何潜在信号。

成功的关键部分是处理对撞机巨大数据率的能力。新触发器足够先进，能够过滤掉平凡碰撞产生的压倒性背景，同时保留稀有的、奇异的事件。团队使用了一种称为“侦察”（scouting）的技术，即只保存关于事件的最重要的摘要信息而非原始数据，从而使他们能够保持更高的有趣事件捕获率。这种方法已经促成了对位移双缪子（displaced dimuons）和位移喷注（displaced jets）的新搜索，尽管使用的资料仅为一小部分，但其灵敏度已达到或甚至超过了以往的搜索。

论文最后概述了这些改进如何为未来奠定基础。随着对撞机在未来几年向更高能量和更高亮度迈进，识别长寿命粒子的能力将变得更加关键。文中描述的新算法和硬件升级已经证明了它们的价值，使 CMS 探测器成为一个更通用的仪器，能够观测到“不可见”之物。通过扩展机器可以观察的范围，研究人员已经开启了一扇新的窗口，让我们能够洞察自然界的基本法则，并让我们离理解那些至今仍处于隐匿状态的宇宙隐藏扇区更近一步。

技术摘要：CMS 在 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV 质子-质子碰撞中的长寿命粒子触发程序策略与性能

问题陈述
标准模型（SM）虽然精确，但无法解释诸如暗物质、物质-反物质不对称性以及中微子质量等现象。超越标准模型（BSM）的理论通常预言了具有宏观寿命的长寿命粒子（LLP）。与瞬发衰变的粒子不同，LLP 在衰变前可能会在距离原初相互作用点（IP）可测量的距离内旅行，或者完全穿过探测器。大型强子对撞机（LHC）的标准触发算法针对瞬发物体进行了优化，假设粒子起源于 IP。因此，这些算法对于 LLP 信号往往效率较低，因为 LLP 的信号可能涉及位移顶点、延迟到达时间、消失径迹，或发生在追踪体积之外的衰变。CMS 实验需要专门的策略来捕捉这些非常规信号，同时不得超过数据采集带宽限制。

方法论
本文详细介绍了 CMS Run 3 (2022–2024) 触发程序，该程序旨在识别 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV 下（对应积分亮度高达 123 fb $^{-1}$ ）质子-质子碰撞数据中的 LLP。该方法通过跨越一级触发器（L1T）和高层触发器（HLT）的多层级方法实现，并利用了特定的子探测器能力：

基于追踪器的算法：
- 消失径迹（Disappearing Tracks）： 利用缺失横动量（ $p^{\text{miss}}_T$ ）和孤立的高 $p_T$ 径迹（且无关联的量热器能量）。HLT 重建具有特定缺失命中模式（例如缺少外层命中）的径迹，以识别在追踪器内衰变为不可探测状态的带电粒子。
- 位移陶子（Displaced Taus）： 实现了一种专门用于非起源于 IP 的强子衰变陶轻子（ $\tau_h$ ）的 HLT 重建算法。这涉及使用仅含条带探测器命中的修改版追踪迭代，以及放宽条件的强子加条带（HPS）算法。
- 位移喷注（Displaced Jets）： 利用追踪信息对喷注进行标记，这些喷注具有极少或没有瞬发径迹。Run 3 的改进包括“包含性”和“位移”标记要求，利用迭代追踪来降低速率，同时保持对低质量 LLP 的效率。
基于量热器的算法：
- HCAL 定时与深度： 利用了第一阶段升级后的强子量热器（HCAL），它提供了深度分段和精密定时能力（通过时间-数字转换器）。L1T 算法识别“延迟”喷注（比瞬发粒子延迟 >6 ns 到达）和“位移”喷注（能量沉积在量热器深处，且浅层沉积极少）。
- ECAL 定时： 利用电磁量热器（ECAL）的定时能力来触发延迟光子和电子，特别是针对双光子信号。
- CalRatio： 一种特定的 HLT 路径，针对具有高中性强子能量分数（NHEF）的喷注，这表明衰变发生在强子量热器内部。
μ 子谱仪算法：
- 位移 $\mu$ 子（Displaced Muons）： 利用 L1T 和 HLT 中不受束流轴约束的径迹寻找器，重建具有显著横向位移（ $d_0$ ）的 $\mu$ 子。
- $\mu$ 子探测器簇射（MDS）： 检测由在 $\mu$ 子系统中衰变的 LLP 引起的径管室（CSC）和漂移管（DT）中的高多重数命中簇。L1T 逻辑通过压缩命中计数来识别簇射，而 HLT 则通过重建三维簇来进行背景抑制。
- Scouting（侦察）： 位移 $\mu$ 子侦察触发器存储缩减后的事件大小（仅包含重建对象），从而允许使用低 $p_T$ 阈值（低至 3 GeV）来获取低质量 LLP。
No-BPTX 算法：
- 仅在空束交替期间（No-BPTX）激活的触发器，用于检测在束流通过后才衰变的停滞 LLP，目标是像停滞胶子这样极长寿命的粒子。

关键贡献
本文介绍了第一个全面的 CMS Run 3 LLP 触发程序描述，引入了多种新算法及对现有算法的重大升级：

新的 L1T 能力： 实现了使用 HCAL 定时和深度信息的硬件级 LLP 喷注触发器，以及 CSC 中的 MDS 触发器。
HLT 革新： 引入了位移 $\tau_h$ 重建、CalRatio 触发器，以及改进的位移 $\mu$ 子和位移喷注路径。
性能优化： 部署了 GPU 加速追踪（PATATRACK, mkFit）和机器学习技术（DEEPJET, PARTICLENET），以处理增加的堆积（高达 63.6）并保持低延迟。
数据流： 战略性地使用“停驻”（parked）和“侦察”（scouting）数据流来降低触发阈值，并增加对稀有或低能 LLP 信号的接受度。

结果
使用模拟和 2022–2024 年的数据对这些触发器的性能进行了评估：

速率： 专用 LLP 触发器分别占标准、停驻和侦察数据流总速率的约 10%、5% 和 18%。其“纯”速率（仅属于 LLP 触发器的事件）很高，证明了物理研究范围的扩展。
效率增益：
- 位移喷注： 对于低质量 LLP（ $10 < m_S < 60$ GeV），Run 3 位移喷注触发器的效率比 Run 2 提高了 4 到 17 倍。与标准的高 $H_T$ 触发器相比，它们针对特定信号的效率提高了 20 倍以上。
- 延迟喷注： 与 Run 2 策略相比，基于 ECAL 的延迟喷注触发器显著提高了低 $H_T$ 末态的效率。
- MDS： 专用的 CSC MDS 触发器相比之前的 $p^{\text{miss}}_T$ 策略，为在 $\mu$ 子系统中衰变的 LLP 提供了大幅增加的接受度。
互补性： 本文证明了不同的触发策略覆盖了探测器的不同区域（追踪器、ECAL、HCAL、 $\mu$ 子系统）和运动学相空间（位移 $c\tau$ 、质量、 $p_T$ ），确保了对各种 BSM 模型（如 AMSB、GMSB、隐藏谷、暗部门）的广泛覆盖。

意义
本文声称，Run 3 LLP 触发程序显著增强了 CMS 实验对新物理的敏感度。使用这些触发器的早期分析已经展示出与 Run 2 结果相当或更优的敏感度，且使用的积分亮度显著减少（例如，位移喷注的敏感度提高了 10 倍）。该程序通过提供必要的工具来重建和触发非常规事件拓扑（这些拓扑会被标准算法遗漏），为包括高亮度 LHC（HL-LHC）在内的未来搜索奠定了坚实的基础。这项工作强调了利用探测器特定信息和定制触发架构来充分探索 BSM 参数空间的必要性。

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