Depuis les années 1960, les scientifiques ont découvert plus d’une douzaine de particules fondamentales. Ils s'intègrent tous parfaitement dans le cadre théorique connu sous le nom de Modèle Standard, la meilleure description que les physiciens aient du monde subatomique.

Le boson de Higgs, découvert conjointement par les expériences CMS et ATLAS au Grand collisionneur de hadrons du CERN en 2012, était la dernière particule fondamentale prédite par le modèle standard.

Malgré cette découverte majeure, les scientifiques se posent encore de nombreuses questions sur les éléments fondamentaux de l’univers. Les chercheurs savent que le modèle standard est incomplet et ne peut pas expliquer de nombreux phénomènes physiques, la matière noire en étant un exemple notable.

Les scientifiques du monde entier repoussent les limites du modèle standard et recherchent de nouvelles particules susceptibles de contribuer à expliquer des questions en suspens sur le fonctionnement interne de l'univers.

"Notre mission est de trouver de nouvelles particules", a déclaré Cristian Peña, responsable du groupe de particules exotiques CMS et scientifique au Laboratoire national des accélérateurs Fermi du Département américain de l'énergie. "C'est pour cela que nous sommes là."

Peña et d'autres scientifiques du Fermilab ont récemment collaboré avec leurs collègues internationaux sur CMS pour créer un nouvel outil qui leur permet de rechercher des particules pouvant parcourir environ 1 à 10 mètres avant de se désintégrer en sous-produits plus stables.

Les scientifiques analysent désormais le nouvel ensemble de données produit par cet outil. Selon Peña, soit ils découvriront une nouvelle physique, soit ils fixeront les limites les plus strictes dans la recherche de particules à longue durée de vie :une classe de particules théoriques qui peuvent pénétrer profondément dans le détecteur avant de créer des signaux visibles.

"Notre ensemble de données ne double plus tous les six mois comme c'était le cas au tout début du programme", explique Sergo Jindariani, scientifique principal au Fermilab. "Les endroits où nous pourrions encore faire des découvertes rapides sont ceux que nous n'avons jamais explorés auparavant, et les particules à vie longue en sont un exemple."

Lorsque les scientifiques ont construit les expériences pour le LHC, ils pensaient que les nouvelles particules se comporteraient comme celles qu’ils avaient découvertes dans le passé et se désintégreraient très rapidement. Par exemple, le quark top, découvert au Laboratoire Fermi en 1995, a une durée de vie d'environ 5×10 ⁻²⁵ secondes. C'est si court que les quarks top se désintègrent avant de pouvoir parcourir la longueur d'un atome d'hydrogène. Mais aujourd'hui, de plus en plus de scientifiques remettent en question cette hypothèse.

"Nous avons cherché partout et nous n'avons rien trouvé jusqu'à présent", a déclaré Peña. "Nous savons que nous pouvons faire mieux en utilisant la durée de vie des particules."

Les scientifiques savent déjà que les particules ont une durée de vie très variée. Par exemple, les quarks bottom peuvent parcourir quelques millimètres avant de se désintégrer, et les muons peuvent parcourir quelques centaines de mètres. Aujourd'hui, les scientifiques se demandent :et s'il y avait de nouvelles particules qui se situent quelque part entre les deux ?

Même si ces particules à vie longue sont extrêmement rares, CMS aura quand même une bonne chance de les voir si elles sont produites par le LHC.

"Le système à muons CMS contient beaucoup de matière, donc si des particules à vie longue se désintègrent à l'intérieur de notre détecteur, nous devrions voir une pluie de particules dans les chambres à muons", a déclaré Peña. "La signature est très puissante."

Mais la question était de savoir si les scientifiques pouvaient trouver ces pluies de particules inattendues cachées dans leurs données. Le LHC produit environ un milliard de collisions proton-proton chaque seconde. Parce que plus de 99,99 % des collisions génèrent des particules et des phénomènes physiques sans intérêt, les scientifiques utilisent des dispositifs de tri de données appelés déclencheurs. Les déclencheurs sélectionnent les 0,01 % d'événements les plus importants à traiter et à stocker dans la grille de calcul mondiale du LHC et rejettent le reste.

"CMS est un détecteur extrêmement performant", a déclaré Jindariani. "Il fait vraiment la physique pour laquelle il a été conçu. Mais les particules à longue durée de vie n'étaient pas quelque chose que les gens avaient à l'esprit lorsqu'ils ont conçu le système de déclenchement CMS."

L’équipe a réalisé que si elle voulait améliorer ses chances de trouver des particules à vie longue avec l’expérience CMS, elle devrait mettre à jour le déclencheur CMS pour rechercher la signature frappante et particulière que ces particules sont censées laisser dans le détecteur. /P>

"Avec un déclencheur dédié, nous avons vu que nous pouvions gagner un ordre de grandeur en termes de sensibilité de ces recherches", a déclaré Jindariani.

Mais mettre à jour le déclencheur est toujours une tâche compliquée. Cela a nécessité l'aide et l'expertise des chercheurs et des ingénieurs tout au long de la collaboration CMS. Jindariani a souligné que le système de déclenchement repose sur de nombreux flux de données provenant de différentes parties du détecteur. Ces flux de données fonctionnent comme les routes d'une ville et permettent aux données de circuler depuis les parties les plus extérieures du détecteur vers le centre de traitement du « centre-ville », où les données sont compilées et rapidement évaluées par des algorithmes. Ajouter un nouveau flux de données, c'est comme ajouter une piste cyclable dans une zone métropolitaine déjà animée.

"Il faudrait que cela coexiste avec d'autres déclencheurs", a déclaré Jindariani. "C'est un jeu délicat; nous ne voulons pas endommager ce qui est déjà en place."

Après une analyse approfondie du déclencheur CMS et des discussions avec la collaboration, l'équipe a réalisé que c'était possible, grâce à quelques éléments inutilisés de la conception originale. Mais ensuite est venu le défi de mettre en œuvre réellement leur nouveau déclencheur dans le traitement des données de l'expérience.

"Une fois que tout le monde était d'accord avec la mise en œuvre conceptuelle, nous devions passer au micrologiciel et au logiciel", a déclaré Jindariani.

Le micrologiciel fournit des instructions machine de base qui permettent au matériel (dans ce cas, les réseaux de portes programmables sur site) de fonctionner selon l'algorithme programmé. Les FPGA peuvent être très rapides mais sont souvent peu dynamiques.

"Les FPGA ont une puissance de traitement limitée et les algorithmes de déclenchement du CMS sont assez gourmands en ressources", a déclaré Jindariani. "Nous devions faire preuve d'intelligence afin de ne pas submerger les capacités des FPGA."

Puisque le LHC fait entrer en collision des protons toutes les 25 nanosecondes, leur nouveau déclenchement devait également être rapide.

"Nous sommes limités par des tranches de temps", a déclaré Jindarani. "L'algorithme doit être exécuté en quelques centaines de nanosecondes. Si cela prend plus de temps, ce n'est pas suffisant. Ce travail n'a été possible que grâce à une solide équipe de scientifiques et d'ingénieurs travaillant ensemble."

Même une fois les problèmes de gestion des ressources et de timing résolus, l’équipe a encore dû faire face à quelques contretemps inattendus. Lors de la phase de test, ils ont constaté que la gâchette était activée à chaque collision. Après une analyse plus approfondie, ils ont découvert que cela était dû à un dysfonctionnement de l'émetteur de l'un des systèmes à muons.

"C'était un problème qui existait auparavant, mais les autres déclencheurs ne l'ont pas vu parce qu'ils ne le cherchaient pas", explique Jindariani.

Une fois tous les problèmes résolus, le déclencheur a évalué toutes les collisions du LHC survenues au sein du détecteur CMS entre 2022 et 2023, soit environ 10 ¹⁶ . , soit 10 millions de milliards, et nous avons collecté un ensemble de données contenant environ 10 ⁸ événements. Les scientifiques analysent actuellement ce nouvel ensemble de données et espèrent avoir leurs premiers résultats cet été.

"Ce déclencheur est l'une des grandes innovations du CMS", déclare Peña. "Soit nous trouverons de nouvelles particules, soit, si la nature ne le souhaite pas, nous fixerons des limites plus strictes aux particules à vie longue."

Fourni par le Laboratoire national des accélérateurs Fermi