Sedan 1960-talet har forskare upptäckt mer än ett dussin grundläggande partiklar. De har alla passat perfekt in i det teoretiska ramverket som kallas Standardmodellen, den bästa beskrivningen fysiker har av den subatomära världen.

Higgs-bosonen, som samupptäcktes av CMS- och ATLAS-experimenten vid Large Hadron Collider vid CERN 2012, var den sista fundamentala partikeln som förutspåddes av standardmodellen.

Trots denna stora upptäckt har forskare fortfarande många frågor om universums grundläggande byggstenar. Forskare vet att standardmodellen är ofullständig och inte kan förklara många fysiska fenomen – mörk materia är ett anmärkningsvärt exempel.

Forskare runt om i världen tänjer på standardmodellens gränser och letar efter nya partiklar som kan hjälpa till att förklara utestående frågor om universums inre funktion.

"Vi håller på att hitta nya partiklar", säger Cristian Peña, sammankallande av gruppen CMS exotiska partiklar och forskare vid det amerikanska energidepartementets Fermi National Accelerator Laboratory. "Det är vad vi är här för."

Peña och andra forskare vid Fermilab samarbetade nyligen med sina internationella kollegor om CMS för att skapa ett nytt verktyg som gör det möjligt för dem att leta efter partiklar som kan färdas cirka 1 till 10 meter innan de sönderfaller till mer stabila biprodukter.

Nu analyserar forskare den nya datamängden som produceras av detta verktyg. Enligt Peña kommer de antingen att hitta ny fysik eller sätta de strängaste gränserna i sökandet efter långlivade partiklar:en klass av teoretiska partiklar som kan färdas djupt in i detektorn innan de skapar synliga signaler.

"Vår datauppsättning fördubblas inte längre var sjätte månad som den gjorde i början av programmet", säger Sergo Jindariani, senior forskare på Fermilab. "De platser där vi fortfarande kan göra snabba upptäckter är där vi inte har letat förut, och långlivade partiklar är ett exempel på det."

När forskare byggde experimenten för LHC antog de att nya partiklar skulle bete sig som de de hade upptäckt tidigare och sönderfalla mycket snabbt. Till exempel har toppkvarken, som upptäcktes vid Fermilab 1995, en livstid på ungefär 5×10 ⁻²⁵ sekunder. Detta är så kort att toppkvarkar sönderfaller innan de kan flytta längden på en väteatom. Men nu ifrågasätter fler och fler forskare detta antagande.

"Vi har letat överallt och kommit upp tomma hittills," sa Peña. "Vi vet att vi kan bli bättre genom att använda partiklarnas livslängd."

Forskare vet redan att partiklar har ett brett spektrum av livstider. Till exempel kan bottenkvarkar färdas några millimeter innan de sönderfaller, och myoner kan färdas några hundra meter. Idag frågar forskare, vad händer om det finns nya partiklar som faller någonstans däremellan?

Även om dessa långlivade partiklar är extremt sällsynta, kommer CMS fortfarande att ha en bra chans att se dem om de produceras av LHC.

"CMS-myonsystemet har mycket material, så om långlivade partiklar sönderfaller inuti vår detektor bör vi se en partikeldusch i myonkamrarna", sa Peña. "Signaturen är mycket kraftfull."

Men frågan var om forskare kan hitta dessa oväntade partikelskurar gömmer sig i deras data. LHC producerar ungefär en miljard proton-protonkollisioner varje sekund. Eftersom mer än 99,99 % av kollisionerna genererar partiklar och fysiska fenomen som är ointressanta, använder forskare datasorteringsenheter som kallas triggers. Utlösare väljer de översta 0,01 % av händelserna som ska bearbetas och lagras i Worldwide LHC Computing Grid och kasserar resten.

"CMS är en extremt framgångsrik detektor", sa Jindariani. "Den gör verkligen den fysik som den var designad för att göra. Men långlivade partiklar var inte något folk hade i åtanke när de designade CMS-utlösarsystemet."

Teamet insåg att om de ville förbättra sina chanser att hitta långlivade partiklar med CMS-experimentet, skulle de behöva uppdatera CMS-utlösaren för att leta efter den slående och märkliga signaturen som dessa partiklar förväntas lämna efter sig i detektorn.

"Med en dedikerad trigger såg vi att vi kunde få en storleksordning i känsligheten för dessa sökningar," sa Jindariani.

Men att uppdatera triggern är alltid en komplicerad strävan. Det krävde hjälp och expertis från forskare och ingenjörer under hela CMS-samarbetet. Jindariani påpekade att triggersystemet är beroende av många dataströmmar från olika delar av detektorn. Dessa dataströmmar fungerar som vägar i en stad och tillåter data att flöda från de yttre delarna av detektorn till bearbetningscentret "downtown", där data sammanställs och snabbt utvärderas av algoritmer. Att lägga till en ny dataström är som att lägga till en cykelbana i ett redan livligt storstadsområde.

"Det skulle behöva samexistera med andra triggers," sa Jindariani. "Det är en delikat pjäs; vi vill inte skada det som redan finns på plats."

Efter omfattande analys av CMS-utlösaren och diskussioner med samarbetet insåg teamet att det var möjligt, tack vare några oanvända bitar som blev över från den ursprungliga designen. Men sedan kom utmaningen att faktiskt implementera sin nya trigger i databearbetningen av experimentet.

"När alla var med på den konceptuella implementeringen behövde vi gå in på firmware och mjukvara", sa Jindariani.

Firmware tillhandahåller grundläggande maskininstruktioner som gör att hårdvaran – i det här fallet, Field Programmable Gate Arrays – kan fungera enligt den programmerade algoritmen. FPGA:er kan vara mycket snabba men är ofta inte särskilt dynamiska.

"FPGA:er har en begränsad mängd processorkraft, och CMS-utlösaralgoritmerna är ganska resurskrävande," sa Jindariani. "Vi behövde vara smarta för att inte överväldiga FPGA:ernas kapacitet."

Eftersom LHC får protoner att kollidera var 25:e nanosekund, måste deras nya trigger också vara snabb.

"Vi är låsta i tidsskivor," sa Jindariani. "Algorithmen måste exekveras inom några hundra nanosekunder. Om det tar längre tid är det inte tillräckligt bra. Detta arbete var endast möjligt genom att ett starkt team av forskare och ingenjörer arbetade tillsammans."

Även efter att utmaningarna med resurshantering och timing löstes, var teamet fortfarande tvunget att ta itu med några oväntade hicka. Under testfasen såg de att avtryckaren aktiverades vid varje kollision. Efter ytterligare analys fann de att detta berodde på att sändaren på ett av myonsystemen inte fungerade.

"Det här var ett problem som hade funnits tidigare, men de andra triggers såg det inte eftersom de inte letade efter det", säger Jindariani.

När alla fel hade åtgärdats utvärderade triggern alla LHC-kollisioner som inträffade i CMS-detektorn mellan 2022 och 2023—cirka 10 ¹⁶ , eller 10 miljoner miljarder – och samlade in en datauppsättning med cirka 10 ⁸ evenemang. Forskare analyserar för närvarande denna nya datamängd och hoppas få sina första resultat i sommar.

"Denna trigger är en av de stora innovationerna inom CMS", säger Peña. "Vi kommer antingen att hitta nya partiklar, eller - om naturen inte vill ha det så - kommer vi att sätta strängare gränser för långlivade partiklar."

Tillhandahålls av Fermi National Accelerator Laboratory