Desde la década de 1960, los científicos han descubierto más de una docena de partículas fundamentales. Todos ellos han encajado perfectamente en el marco teórico conocido como Modelo Estándar, la mejor descripción que tienen los físicos del mundo subatómico.

El bosón de Higgs, que fue descubierto conjuntamente por los experimentos CMS y ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en 2012, fue la última partícula fundamental predicha por el Modelo Estándar.

A pesar de este importante descubrimiento, los científicos todavía tienen muchas preguntas sobre los componentes fundamentales del universo. Los investigadores saben que el modelo estándar es incompleto y no puede explicar muchos fenómenos físicos; la materia oscura es un ejemplo notable.

Científicos de todo el mundo están superando los límites del modelo estándar y buscando nuevas partículas que puedan ayudar a explicar cuestiones pendientes sobre el funcionamiento interno del universo.

"Estamos en el negocio de encontrar nuevas partículas", dijo Cristian Peña, coordinador del grupo de partículas exóticas CMS y científico del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de Estados Unidos. "Para eso estamos aquí."

Peña y otros científicos del Fermilab colaboraron recientemente con sus colegas internacionales en CMS para crear una nueva herramienta que les permita buscar partículas que puedan viajar entre 1 y 10 metros antes de descomponerse en subproductos más estables.

Ahora los científicos están analizando el nuevo conjunto de datos producido por esta herramienta. Según Peña, encontrarán nueva física o establecerán los límites más estrictos en la búsqueda de partículas de larga vida:una clase de partículas teóricas que pueden viajar profundamente en el detector antes de crear señales visibles.

"Nuestro conjunto de datos ya no se duplica cada seis meses como lo hacía al principio del programa", afirma Sergo Jindariani, científico senior del Fermilab. "Los lugares donde todavía podríamos hacer descubrimientos rápidos son aquellos donde no hemos buscado antes, y las partículas de larga vida son un ejemplo de ello".

Cuando los científicos construyeron los experimentos para el LHC, asumieron que las nuevas partículas se comportarían como las que habían descubierto en el pasado y se desintegrarían muy rápidamente. Por ejemplo, el quark top, descubierto en el Fermilab en 1995, tiene una vida útil de aproximadamente 5×10 ⁻²⁵ segundos. Esto es tan corto que los quarks top se desintegran antes de que puedan moverse a lo largo de un átomo de hidrógeno. Pero ahora cada vez más científicos cuestionan esta suposición.

"Hemos buscado por todas partes y hasta ahora no hemos encontrado nada", dijo Peña. "Sabemos que podemos hacerlo mejor aprovechando la vida útil de las partículas".

Los científicos ya saben que las partículas tienen una amplia gama de vidas. Por ejemplo, los quarks inferiores pueden viajar unos pocos milímetros antes de desintegrarse, y los muones pueden viajar unos cientos de metros. Hoy en día, los científicos se preguntan:¿qué pasaría si hubiera nuevas partículas que cayeran en algún punto intermedio?

Incluso si estas partículas de larga vida son extremadamente raras, el CMS aún tendrá buenas posibilidades de verlas si están siendo producidas por el LHC.

"El sistema de muones CMS tiene mucho material, por lo que si las partículas de larga vida se descomponen dentro de nuestro detector, deberíamos ver una lluvia de partículas en las cámaras de muones", dijo Peña. "La firma es muy poderosa."

Pero la pregunta era si los científicos pueden encontrar estas inesperadas lluvias de partículas escondidas en sus datos. El LHC produce alrededor de mil millones de colisiones protón-protón cada segundo. Dado que más del 99,99% de las colisiones generan partículas y fenómenos físicos que no son interesantes, los científicos utilizan dispositivos de clasificación de datos llamados desencadenantes. Los activadores seleccionan el 0,01 % de los eventos principales para procesarlos y almacenarlos dentro del Worldwide LHC Computing Grid y descartan el resto.

"CMS es un detector extremadamente exitoso", afirmó Jindariani. "Realmente cumple con la física para la que fue diseñado. Pero las partículas de larga vida no eran algo que la gente tuviera en mente cuando diseñaron el sistema de activación del CMS".

El equipo se dio cuenta de que si querían mejorar sus posibilidades de encontrar partículas de larga duración con el experimento CMS, necesitarían actualizar el disparador CMS para buscar la firma llamativa y peculiar que se espera que estas partículas dejen en el detector. /P>

"Con un disparador específico, vimos que podíamos ganar un orden de magnitud en la sensibilidad de estas búsquedas", afirmó Jindariani.

Pero actualizar el disparador siempre es una tarea complicada. Requirió ayuda y experiencia de investigadores e ingenieros durante toda la colaboración con CMS. Jindariani señaló que el sistema de activación se basa en numerosos flujos de datos procedentes de diferentes partes del detector. Estos flujos de datos funcionan como carreteras en una ciudad y permiten que los datos fluyan desde las partes más exteriores del detector hasta el centro de procesamiento del "centro", donde los datos se compilan y evalúan rápidamente mediante algoritmos. Agregar un nuevo flujo de datos es como agregar un carril para bicicletas en un área metropolitana que ya es bulliciosa.

"Tendría que coexistir con otros factores desencadenantes", afirmó Jindariani. "Es una jugada delicada; no queremos dañar lo que ya existe".

Después de un análisis exhaustivo del activador del CMS y discusiones con la colaboración, el equipo se dio cuenta de que era posible, gracias a algunos bits no utilizados que quedaron del diseño original. Pero luego vino el desafío de implementar su nuevo disparador en el procesamiento de datos del experimento.

"Una vez que todos estuvieron de acuerdo con la implementación conceptual, necesitábamos pasar al firmware y al software", dijo Jindariani.

El firmware proporciona instrucciones básicas de la máquina que permiten que el hardware (en este caso, matrices de puertas programables en campo) funcione de acuerdo con el algoritmo programado. Los FPGA pueden ser muy rápidos pero a menudo no son muy dinámicos.

"Los FPGA tienen una cantidad limitada de potencia de procesamiento y los algoritmos de activación del CMS consumen bastante recursos", dijo Jindariani. "Necesitábamos ser inteligentes para no abrumar las capacidades de los FPGA".

Dado que el LHC hace que los protones colisionen cada 25 nanosegundos, su nuevo disparador también tenía que ser rápido.

"Estamos atrapados en intervalos de tiempo", dijo Jindariani. "El algoritmo debe ejecutarse en unos pocos cientos de nanosegundos. Si tarda más, no es suficiente. Este trabajo sólo fue posible gracias a un fuerte equipo de científicos e ingenieros trabajando juntos".

Incluso después de que se resolvieron los desafíos de la gestión de recursos y el tiempo, el equipo todavía tuvo que abordar algunos contratiempos inesperados. Durante la fase de prueba, comprobaron que el gatillo se activaba en cada colisión. Después de un análisis más detallado, descubrieron que esto se debía a que el transmisor de uno de los sistemas de muones no funcionaba correctamente.

"Este era un problema que había existido antes, pero los otros desencadenantes no lo vieron porque no lo estaban buscando", dice Jindariani.

Una vez que se solucionaron todos los fallos, el disparador evaluó todas las colisiones del LHC que ocurrieron dentro del detector CMS entre 2022 y 2023:aproximadamente 10 ¹⁶ , o 10 millones de billones, y recopiló un conjunto de datos con alrededor de 10 ⁸ eventos. Actualmente, los científicos están analizando este nuevo conjunto de datos y esperan tener sus primeros resultados este verano.

"Este disparador es una de las grandes innovaciones dentro de CMS", dice Peña. "Encontraremos nuevas partículas o, si la naturaleza no lo quiere así, estableceremos límites más estrictos para las partículas de larga vida".

Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi