Enseñando nuevos trucos al detector de partículas

El físico Christian Peña creció en Talca, un pequeño pueblo a pocas horas al sur de Santiago, Chile. «Los Andes atraviesan todo el país», dice. «No importa dónde mires, siempre tienes montañas».

A los trece años, primero aspiró a escalarlo.

A lo largo de los años, a medida que crecían sus habilidades de montañismo, también lo hacía su stock de herramientas. Piolets, cordones y sogas ampliaron sus horizontes.

En el trabajo de Peña como científico en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU., Aplicó la misma mentalidad: creó las herramientas que su experimento necesitaba para explorar nuevos terrenos.

“El trabajo del detector es clave”, dice.

El enfoque actual de Peña está en el detector CMS, uno de los dos grandes detectores de propósito general en el Gran Colisionador de Hadrones. Peña y sus colegas quieren utilizar CMS para buscar una clase de partículas teóricas con una vida útil prolongada.

Mientras trabajaban en el problema, se dieron cuenta de que el detector de partículas de larga duración ideal ya estaba instalado dentro del CMS: el sistema de muones CMS. La pregunta era si podrían hackearlo para hacer algo nuevo.

partículas de larga duración

Cuando los científicos diseñaron el detector CMS en la década de 1990, tenían los modelos de física de partículas más populares y computacionalmente flexibles. Hasta donde ellos saben, las partículas más interesantes vivirán una fracción de segundo antes de convertirse en partículas secundarias bien entendidas, como fotones y electrones. CMS recogerá las señales de esas partículas secundarias y las utilizará como camino de regreso al origen.

La hipótesis de la desintegración inmediata logró la búsqueda de los bosones de Higgs. Pero los científicos ahora se están dando cuenta de que el modelo «Vive rápido, muere joven» puede no aplicarse a todo lo interesante que resulta de una colisión en el LHC. Peña dice que ve esto como una señal de que es hora de que el experimento evolucione.

«Si eres un niño pequeño y caminas una milla por el bosque, todo es completamente nuevo», dice. «Ahora tenemos más experiencia y queremos impulsar nuevas alturas».

Para los científicos de CMS, esto significa encontrar mejores formas de buscar partículas con una vida útil prolongada.

Las partículas de larga duración no son un concepto radicalmente nuevo. Por ejemplo, los neutrones viven durante 14 minutos fuera de los confines del núcleo de un átomo. Y los protones tienen una vida tan larga que los científicos no están seguros de si se descomponen en absoluto. Si las partículas no detectadas se mueven en el detector antes de que se hagan visibles, es posible que estén escondidas a plena vista.

«Antes, realmente no pensábamos en buscar partículas de larga duración», dice Christina Wang, una estudiante graduada de Caltech que trabaja en el experimento CMS. «Ahora, tenemos que encontrar nuevas formas de usar un detector CMS para verlo».

Idea Nueva

Peña estaba pensando en partículas de larga duración mientras asistía a una conferencia en Aspen, Colorado, en marzo de 2019.

«Había un montón de pizarrones y estábamos haciendo una lluvia de ideas», dice. «En este tipo de situación, te dejas llevar por la vibra. Hay mucha creatividad y empiezas a pensar fuera de la caja».

Peña y sus colegas imaginan cómo sería un detector de partículas de larga duración ideal. Necesitarán un detector lejos del punto de impacto. Necesitarán protección para filtrar las partículas secundarias que son las estrellas del espectáculo en las búsquedas tradicionales.

«Cuando miras un sistema de muones CMS, eso es exactamente lo que es», dice Peña.

Los muones, a menudo llamados electrones más pesados, se producen durante colisiones de alta energía dentro del Gran Colisionador de Hadrones. Los muones pueden viajar largas distancias, razón por la cual CMS y su experimento hermano, ATLAS, tienen enormes detectores en sus capas exteriores dedicados únicamente a capturar y registrar las trayectorias de los muones.

Peña ejecutó una simulación rápida para ver si el muón CMS sería sensible a las firmas similares a fuegos artificiales de partículas de larga vida. «Fue rápido y descuidado, pero parecía posible», dice.

Tras la conferencia, Peña volvió a sus actividades habituales. Unos meses más tarde, Nathan Surrey, estudiante de segundo año de Caltech, se unió al laboratorio de la profesora Maria Spiropollo como estudiante de verano, trabajando con Wang. Peña, que también colaboraba con el grupo de investigación Spiropolo, nombró a Suri la idea del detector de muones como su proyecto de verano.

“Siempre me animaron a proponer ideas para jóvenes talentosos y dejar que se involucraran con ellos”, dice Peña.

Suri estaba emocionado de aceptar el desafío. «Me encantó la originalidad del proyecto», dice. «Estaba deseando hundir mis dientes en él».

prueba de concepto

Suri comenzó a escanear pantallas de eventos que simulaban la desintegración de partículas de larga vida para buscar patrones ópticos comunes. Luego exploró el informe de diseño técnico original del detector de muones CMS para ver qué tan sensible era a estos patrones.

«Al observar el diseño único del detector y los elementos altamente sensibles, pude darme cuenta de lo efectiva que es la herramienta», dice.

A finales del verano, el trabajo de Suri demostró que no solo se podía utilizar el sistema de muones para detectar partículas de larga vida, sino que los científicos de CMS podían utilizar datos preexistentes del LHC para comenzar la búsqueda.

“En este punto, las puertas se abrieron”, dice Suri.

En el otoño de 2019, Wang tomó la iniciativa del proyecto. Suri mostró que la idea era posible; Wang quería saber si eso era realista.

Hasta ahora, han estado trabajando con datos procesados ​​del sistema de muones, que no se han adaptado para el tipo de investigación que quieren hacer. «Todas las técnicas de reconstrucción utilizadas en el sistema de muones se han optimizado para la detección de muones», dice Wang.

Wang, Pina y el profesor de Caltech Si Xie organizaron una reunión de Zoom con expertos en sistemas de muones para pedir consejo.

«Se sorprendieron mucho de que quisiéramos utilizar el sistema de muones para inferir partículas de larga duración», dice Wang. Dijeron, ‘No fue diseñado para hacer eso. «Ellos pensaron que era una idea extraña».

Los expertos sugirieron que el equipo intentara mirar los datos sin procesar en su lugar.

Hacerlo requerirá extraer información sin procesar de las cintas y luego desarrollar nuevo software y simulaciones que puedan reinterpretar miles de resultados de detectores sin procesar. La tarea sería abrumadora, si no imposible.

Después de que los expertos en el sistema de muones abandonaron la llamada, Wang recuerda: «Todavía estábamos en la sala Zoom y pensamos: ‘¿Queremos continuar con esto?'». «

Ella dice que no fue una pregunta seria. Por supuesto que lo hicieron.

su propio jugador

En el otoño de 2020, Martin Kwok comenzó un puesto postdoctoral en Fermilab. “Se nos anima a hablar con tantos grupos como sea posible y pensar en lo que más queremos trabajar”, ​​dice.

Conoció al investigador del Fermilab Artur Apresyan, quien le contó sobre su colaboración con Caltech para convertir el sistema de muones CMS en un detector de partículas de larga duración. «Fue instantáneamente atractivo», dice Kwok. «A menudo, no podemos explorar nuevos usos para nuestro detector».

Wang y sus colegas habían avanzado la idea, extrayendo, procesando y analizando datos sin procesar registrados por el muón CMS entre 2016 y 2018.

Funcionó, pero el conjunto de datos que estaba disponible para el estudio no era perfecto.

El LHC genera alrededor de mil millones de colisiones por segundo, mucho más de lo que los científicos pueden registrar y procesar. Entonces, los científicos usan filtros llamados disparadores para evaluar y clasificar rápidamente los nuevos datos de colisión.

Por cada mil millones de colisiones, solo alrededor de 1,000 se consideran «interesantes» por los desencadenantes y se guardan para un análisis más detallado. Wang y sus colegas identificaron los filtros más cercanos a lo que estaban buscando, los programados para buscar signos de materia oscura.

Abrissian vino a Kwok para diseñar un nuevo catalizador, que de hecho tiene como objetivo buscar signos de partículas de larga duración. Pueden instalarlo en el muón CMS antes de que el LHC se reinicie en la primavera de 2022.

Con un disparador personalizado, pueden aumentar hasta 30 veces el número de eventos considerados «interesantes» para búsquedas de partículas de larga duración. Dice Kwok.

Kwok estuvo a la altura del desafío. Fue un desafío.

“El precio de hacer algo diferente, hacer algo innovador, es que tienes que crear tus propias herramientas”, dice Kwok.

La Colaboración CMS está formada por miles de científicos que utilizan las herramientas de investigación colectiva que han desarrollado y perfeccionado durante las últimas dos décadas. «Es un poco como construir con Legos», dice Kwok. «Las piezas están todas ahí, y dependiendo de cómo las uses y las combines, puedes hacer casi cualquier cosa».

Pero desarrollar este disparador especializado fue menos como elegir los Legos correctos y más como crear una nueva pieza de Lego con plástico derretido.

Kwok rebuscó en los archivos del experimento en busca de sus materias primas. Encontró software antiguo desarrollado por CMS pero que rara vez se utiliza. «Esta herramienta residual cuya popularidad se ha desvanecido resulta muy útil», dice.

Kwok y sus colaboradores también tuvieron que comprobar si se podía integrar un nuevo operador en el sistema de muones. «Hay una cantidad limitada de ancho de banda en la electrónica para enviar información en sentido ascendente», dice Kwok.

«Estoy agradecido de que nuestros predecesores colaboradores diseñaron el muón CMS con algunos bits no utilizados. De lo contrario, tendremos que reinventar por completo el esquema de lanzamiento».

Lo que comenzó como un estudio de viabilidad ahora se ha convertido en un esfuerzo internacional, con varias instituciones contribuyendo al análisis de datos y estimulando la investigación y el desarrollo. Las instituciones estadounidenses que contribuyen a esta investigación están financiadas por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la National Science Foundation.

«Debido a que aún no hemos asignado actuadores de partículas de larga duración, tenemos una baja eficiencia», dice Wang. «Pero hemos demostrado que esto es posible, y no solo posible, sino que estamos revisando el sistema operativo CMS para mejorar aún más la sensibilidad».

El LHC está programado para funcionar en la década de 2030, con varias actualizaciones importantes de aceleradores y detectores en el camino. Para mantener la exploración de la naturaleza en un nivel básico, dice Wang, los científicos deben mantenerse a la vanguardia de la tecnología de detectores y cuestionar todas las suposiciones.

«Entonces, naturalmente, seguirá nuevas áreas para explorar», dice. «Las partículas de larga duración son solo una de estas nuevas áreas. Recién estamos comenzando».