物理學家克里斯蒂安-佩尼亞在塔爾卡長大，這是一個位于智利圣地亞哥以南幾小時車程的小鎮(zhèn)。"他說："安第斯山脈一直貫穿著這個國家。"無論你看哪里，你總是有山"。
13歲時，他第一次渴望攀登這些山脈。
多年來，隨著他的登山技能的增長，他的工具庫存也在增長。冰斧、拐杖和繩索擴大了他的視野。
在佩尼亞作為美國能源部費米國家加速器實驗室的科學家的工作中，他也采用了這種思維方式。他創(chuàng)造了他的實驗所需的工具來探索新的地形。
"探測器工作是關(guān)鍵，"他說。
培尼亞目前的重點是CMS探測器，這是大型強子對撞機的兩個大型通用探測器之一。佩尼亞和同事們希望利用CMS來搜索一類具有長壽命的理論粒子。
在解決這個問題時，他們意識到CMS內(nèi)部已經(jīng)安裝了一個理想的長壽命粒子探測器：CMSμon系統(tǒng)。問題是，他們是否可以黑掉它來做一些新的事情。
一個μ介子通過CMS探測器的過程示意圖
長壽命的粒子
當科學家們在20世紀90年代設計CMS探測器時，他們想到的是粒子物理學中最流行的、數(shù)學上最有彈性的模型。據(jù)他們所知，最有趣的粒子在轉(zhuǎn)化為人們熟知的次級粒子(如光子和電子)之前，只會存活幾分之一秒。CMS將捕捉來自這些次級粒子的信號，并將它們作為返回原始粒子的線索。
迅速衰變的假設在尋找希格斯玻色子的過程中起了作用。但科學家們現(xiàn)在意識到，這種 "生得快，死得早 "的模式可能不適用于在大型強子對撞機中出現(xiàn)的每一個有趣的東西。佩尼亞說，他認為這是一個跡象，表明是時候讓實驗進化了。
"如果你是一個小孩子，你在森林里走了一英里，這一切都是全新的，"他說。"現(xiàn)在我們有了更多的經(jīng)驗，想要推動新的前沿。"
對于CMS的科學家來說，這意味著找到更好的方法來尋找長壽命的粒子。
長壽命粒子并不是一個激進的新概念。例如，中子在原子核的束縛之外可以存活大約14分鐘。而質(zhì)子的壽命非常長，以至于科學家們不確定它們是否會衰變。如果未被發(fā)現(xiàn)的粒子在變得可見之前就進入了探測器，那么它們可能就隱藏在眾目睽睽之下。
"加州理工學院從事CMS實驗的研究生Christina Wang說："以前，我們并沒有真正想過要尋找長壽命的粒子。"現(xiàn)在，我們必須找到新的方法來使用CMS探測器來看到它們。"
一個新的想法
佩尼亞是在2019年3月參加科羅拉多州阿斯彭市的一次會議時思考長壽命粒子的。
"當時有一堆白板，我們在拋出各種想法，"他說。"在那種情況下，你隨著氣氛走。有很多創(chuàng)造力，你開始跳出框框思考。"
培尼亞和他的同事們設想了一個理想的長壽命粒子探測器可能是什么樣子。他們將需要一個遠離碰撞點的檢測器。他們將需要屏蔽，以過濾掉次級粒子，這些粒子是傳統(tǒng)搜索中的明星。
"佩尼亞說："當你看到CMS的μ介子系統(tǒng)時，這正是它的特點。
繆子，通常被稱為電子的較重表親，在大型強子對撞機內(nèi)的高能對撞中產(chǎn)生。一個μ介子可以傳播很遠的距離，這就是為什么CMS和它的姐妹實驗ATLAS在其外層有大量的探測器，專門用于捕捉和記錄μ介子的軌跡。
佩尼亞進行了一次快速模擬，看看CMS的μ介子系統(tǒng)是否會對長壽命粒子的煙花狀特征敏感。"他說："這是快速和骯臟的，"但它看起來是可行的。"
會議結(jié)束后，佩尼亞回到了他的常規(guī)活動。幾個月后，加州理工學院大二學生Nathan Suri作為暑期學生加入了Maria Spiropulu教授的實驗室，與Wang一起工作。佩尼亞也與斯皮羅普魯?shù)难芯啃〗M合作，他將μ介子探測器的想法分配給蘇里，作為他的暑期項目。
"佩尼亞說："我總是被鼓勵把想法交給年輕的、有才華的人，讓他們帶著它運行。
蘇里很興奮地接受了這個挑戰(zhàn)。"我愛上了這個項目的原創(chuàng)性，"他說。"我渴望沉下心來研究它。
測試這一概念
蘇里首先掃描了模擬的長壽命粒子衰變的事件顯示，以尋找任何共同的視覺模式。然后，他探索了CMSμon探測器系統(tǒng)的原始技術(shù)設計報告，以了解它對這些模式的敏感程度。
"他說："看著獨特的探測器設計和高度敏感的元素，我能夠意識到這是一個多么強大的工具。
到夏天結(jié)束時，蘇里的工作表明，不僅使用μ介子系統(tǒng)來探測長壽命粒子是可行的，而且CMS的科學家可以使用預先存在的LHC數(shù)據(jù)來啟動搜索。
"在這一點上，閘門打開了，"蘇里說。
2019年秋天，王曉東在這個項目上發(fā)揮了主導作用。蘇里已經(jīng)表明，這個想法是可能的;王想知道它是否是現(xiàn)實的。
到目前為止，他們一直在使用來自μon系統(tǒng)的處理過的數(shù)據(jù)，這并不適應他們想要做的那種搜索。"王說："在μ介子系統(tǒng)中使用的所有重建技術(shù)都是為探測μ介子而優(yōu)化的。
王、佩尼亞和加州理工學院教授謝思思安排了一次與μ介子系統(tǒng)專家的放大會議，以征求意見。
"王說："他們對我們想用μ介子系統(tǒng)來推斷長壽命粒子真的很驚訝。"他們說，'它不是用來做這個的'。他們認為這是個奇怪的想法。"
專家們建議該團隊應該嘗試看一下原始數(shù)據(jù)。
這樣做將需要從磁帶中提取未經(jīng)處理的信息，然后開發(fā)新的軟件和模擬，可以重新解釋數(shù)以千計的原始探測器命中。這項任務即使不是不可能完成，也是非常艱巨的。
在μ介子系統(tǒng)專家離開電話后，Wang記得，"我們還在Zoom房間里，想，'我們要不要繼續(xù)這樣做?
她說這并不是一個嚴肅的問題。當然，他們做到了。
一個屬于他們自己的觸發(fā)器
2020年秋天，馬丁-郭在費米實驗室開始了一個博士后職位。"我們被鼓勵與盡可能多的小組交談，思考我們最想從事的工作，"他說。
他會見了費米實驗室的研究員Artur Apresyan，后者告訴他與加州理工學院的合作，將CMSμon系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成一個長壽命的粒子探測器。"這立刻就有了吸引力，"郭說。"我們很少有機會為我們的探測器探索新的用途。"
王和她的同事們已經(jīng)推進了這個想法，提取、處理和分析了CMSμon系統(tǒng)在2016年至2018年間記錄的原始數(shù)據(jù)。
它已經(jīng)成功了，但他們可用于研究的數(shù)據(jù)集并不理想。
大型強子對撞機每秒產(chǎn)生約10億次碰撞--比科學家能夠記錄和處理的多得多。因此，科學家們使用稱為觸發(fā)器的過濾器來快速評估和分類新的碰撞數(shù)據(jù)。
每十億次碰撞中，只有大約1000次被觸發(fā)器認為是 "有趣的"，并保存下來進行進一步分析。王和她的同事已經(jīng)確定，最接近他們正在尋找的過濾器是那些被編程為尋找暗物質(zhì)跡象的過濾器。
阿普雷西安向郭明義建議，他可以設計一個新的觸發(fā)器，實際上是為了尋找長壽命粒子的跡象。他們可以在2022年春季大型強子對撞機重新開始運行之前將其安裝在CMSμon系統(tǒng)中。
有了一個專門的觸發(fā)器，他們可以將被認為對長壽命粒子搜索 "有趣 "的事件數(shù)量增加30倍。"我們并不經(jīng)常看到我們捕捉潛在信號事件的能力增加30倍，"郭說。
郭說，他愿意接受這個挑戰(zhàn)。這也是一個挑戰(zhàn)。
"做一些不同的事情--做一些創(chuàng)新的事情--的代價是你必須發(fā)明你自己的工具，"郭說。
CMS的合作由數(shù)千名科學家組成，他們都使用自己在過去20年里開發(fā)和磨練的集體研究工具。"這有點像用樂高積木建造，"郭說。"所有的部件都在那里，取決于你如何使用和組合它們，你幾乎可以做出任何東西。"
但是開發(fā)這種專門的觸發(fā)器并不像挑選正確的樂高積木，而更像是用融化的塑料創(chuàng)造一個新的樂高積木碎片。
為了尋找他的原材料，Kwok挖掘了實驗的檔案。他發(fā)現(xiàn)了一個由CMS開發(fā)但很少使用的舊軟件。"他說："這個已經(jīng)淡出人們視線的遺留工具原來是非常方便的。
郭和他的合作者還必須調(diào)查將一個新的觸發(fā)器整合到μ介子系統(tǒng)中是否可能。"電子裝置中只有這么多的帶寬可以向上游發(fā)送信息，"郭說。
"我很感謝我們的合作祖先在設計CMS繆子系統(tǒng)時，有幾個未使用的位子。否則，我們將不得不重新發(fā)明整個觸發(fā)方案。"
最初的可行性研究現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一項國際努力，有更多的機構(gòu)為數(shù)據(jù)分析和觸發(fā)器研發(fā)作出貢獻。為這項研究做出貢獻的美國機構(gòu)是由美國能源部和國家科學基金會資助的。
"因為我們還沒有專用的長壽命粒子觸發(fā)器，所以我們的效率很低，"王說。"但是我們表明這是可能的--而且不僅是可能的，我們還在檢修CMS的觸發(fā)系統(tǒng)，以進一步提高靈敏度。"
大型強子對撞機計劃持續(xù)到20世紀30年代，沿途有幾個主要的加速器和探測器的升級。王說，為了繼續(xù)在最基本的層面上探測自然，科學家們必須保持在探測器技術(shù)的前沿，并質(zhì)疑每一個假設。
"她說："那么新的探索領(lǐng)域自然會隨之而來。"長壽命粒子只是這些新領(lǐng)域中的一個。我們才剛剛開始。"
