Od 1960-ih, naučnici su otkrili više od deset osnovnih čestica. Svi su se savršeno uklopili u teorijski okvir poznat kao Standardni model, najbolji opis subatomskog sveta koji fizičari imaju.
Higsov bozon, koji su zajedno otkrili eksperimenti CMS i ATLAS na Velikom hadronskom sudaraču u CERN-u 2012. godine, bila je poslednja fundamentalna čestica predviđena standardnim modelom.
Uprkos ovom velikom otkriću, naučnici i dalje imaju mnogo pitanja o osnovnim građevinskim blokovima univerzuma. Istraživači znaju da je Standardni model nekompletan i da ne može da objasni mnoge fizičke fenomene – tamna materija je značajan primer.
Naučnici širom sveta pomeraju granice standardnog modela i traže nove čestice koje mogu pomoći da se objasne otvorena pitanja o unutrašnjem funkcionisanju univerzuma.
„Bavimo se pronalaženju novih čestica“, rekao je Kristijan Penja, sazivač grupe za egzotične čestice CMS i naučnik u Fermi nacionalnoj laboratoriji za akceleratore pri Ministarstvu energetike SAD. „Zato smo ovde.“
Penja i drugi naučnici iz Fermilaba nedavno su sarađivali sa svojim međunarodnim kolegama na CMS-u kako bi stvorili novi alat koji im omogućava da traže čestice koje mogu da putuju oko 1 do 10 metara pre nego što se raspadnu u stabilnije nusproizvode.
Sada naučnici analiziraju novi skup podataka proizveden ovim alatom. Prema Penji, oni će ili pronaći novu fiziku, ili postaviti najstrože granice u potrazi za dugovečnim česticama: klasu teoretskih čestica koje mogu da putuju duboko u detektor pre nego što stvore vidljive signale.
„Naš skup podataka se više ne udvostručuje svakih šest meseci kao na samom početku programa“, kaže Sergo Jindariani, viši naučnik u Fermilabu. „Mesta na kojima bismo još uvek mogli da dođemo do brzih otkrića su mesta na kojima ranije nismo gledali, a dugovečne čestice su primer za to.
Kada su naučnici pravili eksperimente za LHC, pretpostavili su da će se nove čestice ponašati kao one koje su otkrili u prošlosti i da će se vrlo brzo raspadati. Na primer, vrhunski kvark, koji je otkriven u Fermilabu 1995. godine, ima životni vek od otprilike 5×10 −25 sekundi. Ovo je toliko kratko da se vrhunski kvarkovi raspadaju pre nego što mogu da pomere dužinu atoma vodonika. Ali sada sve više naučnika dovodi u pitanje ovu pretpostavku.
„Tražili smo svuda i do sada smo došli prazni“, rekao je Penja. „Znamo da možemo bolje koristeći životni vek čestica.“
Naučnici već znaju da čestice imaju širok raspon života. Na primer, donji kvarkovi mogu da putuju nekoliko milimetara pre nego što se raspadnu, a mioni mogu da putuju nekoliko stotina metara. Danas se naučnici pitaju, šta ako postoje nove čestice koje padaju negde između?
Čak i ako su ove dugovečne čestice izuzetno retke, CMS će i dalje moći da ih vidi ako ih proizvodi LHC.
„CMS mionski sistem ima mnogo materijala, tako da ako dugovečne čestice propadaju unutar našeg detektora, trebalo bi da vidimo pljusak čestica u mionskim komorama“, rekao je Penja. „Potpis je veoma moćan.
Ali pitanje je bilo da li naučnici mogu pronaći ove neočekivane pljuskove čestica koje se kriju u njihovim podacima. LHC proizvodi oko milijardu sudara proton-proton svake sekunde. Pošto više od 99,99% sudara generiše čestice i fizičke fenomene koji su nezanimljivi, naučnici koriste uređaje za sortiranje podataka koji se nazivaju okidači. Okidači biraju prvih 0,01% događaja koji će biti obrađeni i uskladišteni u okviru Svetske LHC računarske mreže i odbacuju ostatak.
„CMS je izuzetno uspešan detektor“, rekao je Jindariani. „Zaista radi fiziku za koju je dizajniran. Ali dugovečne čestice nisu bile nešto što su ljudi imali na umu kada su dizajnirali CMS sistem okidača.“
Tim je shvatio da ako žele da poboljšaju svoje šanse za pronalaženje dugovečnih čestica pomoću CMS eksperimenta, treba da ažuriraju CMS okidač kako bi potražili upečatljiv i neobičan potpis za koji se očekuje da će ove čestice ostaviti iza sebe u detektoru.
„Sa namenskim okidačem, videli smo da možemo da dobijemo red veličine u osetljivosti ovih pretraga“, rekao je Jindariani.
Ali ažuriranje okidača je uvek komplikovan poduhvat. Bila je potrebna pomoć i stručnost istraživača i inženjera tokom CMS saradnje. Jindariani je istakao da se sistem okidača oslanja na brojne tokove podataka iz različitih delova detektora. Ovi tokovi podataka funkcionišu kao putevi u gradu i omogućavaju protok podataka iz većine spoljašnjih delova detektora u centar za obradu podataka „u centru grada“, gde se podaci sastavljaju i brzo procenjuju pomoću algoritama. Dodavanje novog toka podataka je kao dodavanje biciklističke staze u već užurbano gradsko područje.
„Moralo bi da postoji zajedno sa drugim okidačima“, rekao je Jindariani. „To je delikatna igra; ne želimo da oštetimo ono što je već na mestu.“
Nakon opsežne analize CMS okidača i razgovora sa saradnjom, tim je shvatio da je to moguće, zahvaljujući nekoliko neiskorišćenih delova koji su ostali od originalnog dizajna. Ali onda je došao izazov da se njihov novi okidač zapravo implementira u obradu podataka eksperimenta.
„Kada su svi bili uključeni u konceptualnu implementaciju, morali smo da pređemo na firmver i softver“, rekao je Jindariani.
Firmver pruža osnovne mašinske instrukcije koje omogućavaju hardveru—u ovom slučaju, polje programabilnim nizovima kapija—da funkcioniše u skladu sa programiranim algoritmom. FPGA mogu biti veoma brzi, ali često nisu baš dinamični.
„FPGA-i imaju ograničenu količinu procesorske snage, a CMS algoritmi okidača su prilično gladni resursa“, rekao je Jindariani. „Morali smo da budemo pametni kako ne bismo preplavili mogućnosti FPGA-a.
Pošto LHC dovodi do sudara protona svakih 25 nanosekundi, njihov novi okidač je takođe morao da bude brz.
„Zaključani smo u vremenskim delovima“, rekao je Jindariani. „Algoritam treba da se izvrši u roku od nekoliko stotina nanosekundi. Ako traje duže, to nije dovoljno dobro. Ovaj rad je bio moguć samo kroz jak tim naučnika i inženjera koji su radili zajedno.“
Čak i nakon što su rešeni izazovi upravljanja resursima i vremena, tim je i dalje morao da reši nekoliko neočekivanih problema. Tokom faze testiranja, videli su da se okidač aktivira prilikom svakog sudara. Posle dalje analize, otkrili su da je to zato što je predajnik na jednom od mionskih sistema bio neispravan.
„Ovo je bio problem koji je postojao i ranije, ali drugi pokretači ga nisu videli jer ga nisu tražili“, kaže Jindariani.
Kada su svi kvarovi otklonjeni, okidač je procenio sve LHC sudare koji su se dešavali unutar CMS detektora između 2022. i 2023. — oko 10 16 ili 10 miliona milijardi — i prikupio skup podataka sa oko 10 8 događaja. Naučnici trenutno analiziraju ovaj novi skup podataka i nadaju se da će imati prve rezultate ovog leta.
„Ovaj okidač je jedna od velikih inovacija u okviru CMS-a“, kaže Penja. „Ili ćemo pronaći nove čestice, ili ćemo — ako priroda to ne želi na taj način — postaviti stroža ograničenja za dugovečne čestice.“
