از دهه 1960، دانشمندان بیش از 12 ذره اساسی را کشف کرده اند. همه آنها کاملاً با چارچوب نظری معروف به مدل استاندارد مطابقت دارند، بهترین توصیفی که فیزیکدانان از دنیای زیراتمی دارند.

بوزون هیگز که به طور مشترک توسط آزمایش‌های CMS و ATLAS در برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن در سال 2012 کشف شد، آخرین ذره بنیادی پیش‌بینی‌شده توسط مدل استاندارد بود. علیرغم این کشف بزرگ، دانشمندان هنوز سوالات زیادی در مورد اجزای سازنده اصلی جهان دارند. محققان می‌دانند که مدل استاندارد ناقص است و نمی‌تواند بسیاری از پدیده‌های فیزیکی را توضیح دهد – ماده تاریک یک مثال قابل توجه است.

دانشمندان در سراسر جهان مرزهای مدل استاندارد را جابجا می کنند و به دنبال ذرات جدیدی هستند که می توانند به توضیح سوالات حل نشده در مورد عملکرد درونی جهان کمک کنند.

کریستین پنا، سازمان‌دهنده CMS Exotic Particle Group و دانشمند آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده، می‌گوید: «ما در حال یافتن ذرات جدید هستیم. “ما برای همین اینجا هستیم.”

Peña و دیگر دانشمندان Fermilab اخیراً با همکاران بین‌المللی خود در CMS همکاری کردند تا ابزار جدیدی ایجاد کنند که به آنها امکان می‌دهد ذراتی را که می‌توانند حدود یک تا 10 متر حرکت کنند قبل از تجزیه شدن به محصولات جانبی پایدارتر، جستجو کنند.

اکنون دانشمندان در حال تجزیه و تحلیل مجموعه داده های جدید تولید شده توسط این ابزار هستند. به گفته پنا، آنها یا فیزیک جدیدی پیدا می‌کنند یا سخت‌ترین محدودیت‌ها را در جستجوی ذرات با عمر طولانی تعیین می‌کنند: دسته‌ای از ذرات نظری که می‌توانند قبل از تولید سیگنال‌های مرئی به عمق آشکارساز سفر کنند.

سرگو جیندریانی، دانشمند ارشد در Fermilab گفت: “مجموعه داده های ما دیگر هر شش ماه دو برابر نمی شود، همانطور که در همان ابتدای برنامه بود.” مکان‌هایی که هنوز می‌توانیم اکتشافات سریع داشته باشیم، مکان‌هایی هستند که قبلاً به آنها نگاه نکرده‌ایم، و ذرات با عمر طولانی نمونه‌ای از آن هستند.»

زمانی که دانشمندان آزمایش های LHC را انجام دادند، تصور کردند که ذرات جدید مانند ذرات قبلی رفتار می کنند و خیلی سریع تجزیه می شوند. به عنوان مثال، کوارک بالایی که در سال 1995 در فرمیلاب کشف شد، تقریباً 5×10 طول عمر دارد.^-25 ثانیه این آنقدر کوتاه است که کوارک های بالایی قبل از اینکه بتوانند طول یک اتم هیدروژن را جابجا کنند، تجزیه می شوند. اما اکنون بیشتر و بیشتر دانشمندان این فرض را زیر سوال می برند.

پنیا گفت: «ما همه جا را جستجو کرده‌ایم و تاکنون چیزی نداریم. ما می دانیم که می توانیم با استفاده از طول عمر ذرات بهتر عمل کنیم.”

دانشمندان قبلاً می‌دانند که ذرات دارای طول عمر گسترده‌ای هستند. به عنوان مثال، کوارک های پایینی می توانند قبل از تجزیه چند میلی متر حرکت کنند و میون ها می توانند چندین صد متر حرکت کنند. دانشمندان امروز می پرسند اگر ذرات جدیدی وجود داشته باشند که در جایی بین آنها بیفتند چه؟

حتی اگر این ذرات با عمر طولانی بسیار نادر باشند، CMS همچنان شانس خوبی برای دیدن آنها خواهد داشت اگر توسط LHC تولید شوند.

پنا می‌گوید: «سیستم میون CMS مواد زیادی دارد، بنابراین اگر ذرات با عمر طولانی در آشکارساز ما در حال فروپاشی هستند، باید بارانی از ذرات را در اتاقک‌های میون ببینیم. “امضا بسیار قدرتمند است.”

اما سوال این بود که آیا دانشمندان می‌توانند این بارش‌های غیرمنتظره ذرات را که در داده‌هایشان پنهان شده‌اند پیدا کنند. LHC در هر ثانیه حدود یک میلیارد برخورد پروتون-پروتون ایجاد می کند. از آنجایی که بیش از 99.99 درصد از برخوردها ذرات و پدیده های فیزیکی را تولید می کنند که جالب نیستند، دانشمندان از دستگاه های مرتب سازی داده ها به نام ماشه استفاده می کنند. راه‌اندازها بهترین 0.01% رویدادها را برای پردازش و ذخیره در شبکه جهانی محاسبات LHC انتخاب می‌کنند و بقیه را کنار می‌گذارند.

جیندریانی می گوید: «CMS یک آشکارساز بسیار موفق است. این واقعاً همان فیزیکی را که برای آن طراحی شده بود انجام می دهد. اما ذرات با عمر طولانی چیزی نبود که مردم هنگام طراحی سیستم ماشه CMS در ذهن داشتند.

تیم متوجه شد که اگر بخواهند شانس خود را برای یافتن ذرات با عمر طولانی با آزمایش CMS افزایش دهند، باید تریگر CMS را به روز کنید برای جستجوی نشانه های شگفت انگیز و عجیبی که انتظار می رود این ذرات در آشکارساز از خود به جا بگذارند.

جیندریانی می گوید: «با یک ماشه خاص دیدیم که می توانیم در حساسیت این جست و جوها مرتبه بزرگی به دست آوریم.

اما به روز رسانی ماشه همیشه یک تلاش پیچیده است. این امر مستلزم کمک و تخصص محققان و مهندسان در طول همکاری CMS بود.

جیندریانی خاطرنشان می کند که سیستم فعال سازی متکی به جریان های متعدد داده از قسمت های مختلف آشکارساز است. این جریان‌های داده مانند جاده‌های یک شهر کار می‌کنند و به داده‌ها اجازه می‌دهند تا از بیرونی‌ترین قسمت‌های آشکارساز به مرکز پردازش «در مرکز» جریان پیدا کنند، جایی که داده‌ها جمع‌آوری می‌شوند و به سرعت توسط الگوریتم‌ها ارزیابی می‌شوند.

افزودن یک جریان داده جدید مانند افزودن یک خط دوچرخه به یک منطقه شهری شلوغ است. جیندریانی می گوید: «این باید با محرک های دیگر همزیستی داشته باشد. «این یک بازی ظریف است. ما نمی‌خواهیم به آنچه در حال حاضر وجود دارد آسیب بزنیم.»

پس از تجزیه و تحلیل گسترده راه‌انداز CMS و بحث با مشارکت‌کنندگان، تیم متوجه شد که این کار به لطف چند بیت استفاده‌نشده باقی مانده از طرح اصلی امکان‌پذیر است. اما پس از آن چالش اجرای واقعی محرک جدید آنها در پردازش داده های آزمایش پیش آمد.

جیندریانی می گوید: زمانی که همه با پیاده سازی مفهومی آشنا شدند، مجبور شدیم به سمت سیستم عامل و نرم افزار برویم.

سفت‌افزار دستورالعمل‌های اولیه ماشین را ارائه می‌کند که به سخت‌افزار – در این مورد، آرایه‌های دروازه قابل برنامه‌ریزی میدانی – اجازه می‌دهد تا طبق الگوریتم برنامه‌ریزی‌شده عمل کنند. FPGA ها می توانند بسیار سریع باشند، اما اغلب بسیار پویا نیستند.

جیندریانی می‌گوید: «FPGA‌ها قدرت پردازش محدودی دارند و الگوریتم‌های راه‌انداز CMS کاملاً نیاز به منابع دارند. ما باید هوشمندانه عمل می‌کردیم که توانایی‌های FPGA را تحت تأثیر قرار ندهیم.»

از آنجایی که LHC هر 25 نانوثانیه باعث برخورد پروتون ها می شود، محرک جدید آنها نیز باید سریع باشد.

جیندریانی می گوید: «ما در بازه های زمانی قفل شده ایم. الگوریتم باید در عرض چند صد نانوثانیه اجرا شود. اگر بیشتر طول بکشد، به اندازه کافی خوب نیست. این کار تنها از طریق یک تیم قوی از دانشمندان و مهندسان که با هم کار می کردند امکان پذیر شد.

حتی پس از حل چالش‌های مدیریت منابع و زمان، تیم همچنان باید با چندین مشکل غیرمنتظره دست و پنجه نرم می‌کرد. در مرحله آزمایش، آنها دیدند که ماشه در هر برخورد فعال می شود. پس از تجزیه و تحلیل بیشتر، آنها دریافتند که دلیل این امر به این دلیل است که فرستنده یکی از سیستم های میون دچار اختلال شده است.

جیندریانی می‌گوید: «این مشکلی بود که قبلاً وجود داشت، اما سایر محرک‌ها آن را ندیدند زیرا به دنبال آن نبودند.

پس از برطرف شدن همه مشکلات، ماشه تمام برخوردهای LHC را که بین سال‌های 2022 تا 2023 در آشکارساز CMS اتفاق می‌افتاد ارزیابی کرد – حدود 1016 یا 10 میلیون میلیارد – و مجموعه داده‌ای از حدود 108 رویداد را جمع‌آوری کرد. دانشمندان در حال حاضر در حال تجزیه و تحلیل این مجموعه داده های جدید هستند و امیدوارند اولین نتایج خود را در تابستان امسال به دست آورند.

Peña می گوید: «این ماشه یکی از نوآوری های بزرگ در CMS است. “یا ذرات جدیدی را کشف خواهیم کرد، یا – اگر طبیعت آن را نخواهد – محدودیت های سخت تری برای ذرات با عمر طولانی قائل خواهیم شد.”

یادداشت سردبیر: الف نسخه این مقاله ابتدا توسط آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی منتشر شد.