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教授粒子探测器学习新技巧

2021-08-27 09:52     来源:symmetry     LHC粒子加速器
希望在大型强子对撞机上找到新的、长寿命粒子的科学家们最近意识到,他们可能已经有了可以做到这一点的探测器。

物理学家克里斯蒂安-佩尼亚在塔尔卡长大,这是一个位于智利圣地亚哥以南几小时车程的小镇。"他说:"安第斯山脉一直贯穿着这个国家。"无论你看哪里,你总是有山"。

13岁时,他第一次渴望攀登这些山脉。

多年来,随着他的登山技能的增长,他的工具库存也在增长。冰斧、拐杖和绳索扩大了他的视野。

在佩尼亚作为美国能源部费米国家加速器实验室的科学家的工作中,他也采用了这种思维方式。他创造了他的实验所需的工具来探索新的地形。

"探测器工作是关键,"他说。

培尼亚目前的重点是CMS探测器,这是大型强子对撞机的两个大型通用探测器之一。佩尼亚和同事们希望利用CMS来搜索一类具有长寿命的理论粒子。

在解决这个问题时,他们意识到CMS内部已经安装了一个理想的长寿命粒子探测器:CMSμon系统。问题是,他们是否可以黑掉它来做一些新的事情。

一个μ介子通过CMS探测器的过程示意图


 

长寿命的粒子

当科学家们在20世纪90年代设计CMS探测器时,他们想到的是粒子物理学中最流行的、数学上最有弹性的模型。据他们所知,最有趣的粒子在转化为人们熟知的次级粒子(如光子和电子)之前,只会存活几分之一秒。CMS将捕捉来自这些次级粒子的信号,并将它们作为返回原始粒子的线索。

迅速衰变的假设在寻找希格斯玻色子的过程中起了作用。但科学家们现在意识到,这种 "生得快,死得早 "的模式可能不适用于在大型强子对撞机中出现的每一个有趣的东西。佩尼亚说,他认为这是一个迹象,表明是时候让实验进化了。

"如果你是一个小孩子,你在森林里走了一英里,这一切都是全新的,"他说。"现在我们有了更多的经验,想要推动新的前沿。"

对于CMS的科学家来说,这意味着找到更好的方法来寻找长寿命的粒子。

长寿命粒子并不是一个激进的新概念。例如,中子在原子核的束缚之外可以存活大约14分钟。而质子的寿命非常长,以至于科学家们不确定它们是否会衰变。如果未被发现的粒子在变得可见之前就进入了探测器,那么它们可能就隐藏在众目睽睽之下。

"加州理工学院从事CMS实验的研究生Christina Wang说:"以前,我们并没有真正想过要寻找长寿命的粒子。"现在,我们必须找到新的方法来使用CMS探测器来看到它们。"

一个新的想法

佩尼亚是在2019年3月参加科罗拉多州阿斯彭市的一次会议时思考长寿命粒子的。

"当时有一堆白板,我们在抛出各种想法,"他说。"在那种情况下,你随着气氛走。有很多创造力,你开始跳出框框思考。"

培尼亚和他的同事们设想了一个理想的长寿命粒子探测器可能是什么样子。他们将需要一个远离碰撞点的检测器。他们将需要屏蔽,以过滤掉次级粒子,这些粒子是传统搜索中的明星。

"佩尼亚说:"当你看到CMS的μ介子系统时,这正是它的特点。

缪子,通常被称为电子的较重表亲,在大型强子对撞机内的高能对撞中产生。一个μ介子可以传播很远的距离,这就是为什么CMS和它的姐妹实验ATLAS在其外层有大量的探测器,专门用于捕捉和记录μ介子的轨迹。

佩尼亚进行了一次快速模拟,看看CMS的μ介子系统是否会对长寿命粒子的烟花状特征敏感。"他说:"这是快速和肮脏的,"但它看起来是可行的。"

会议结束后,佩尼亚回到了他的常规活动。几个月后,加州理工学院大二学生Nathan Suri作为暑期学生加入了Maria Spiropulu教授的实验室,与Wang一起工作。佩尼亚也与斯皮罗普鲁的研究小组合作,他将μ介子探测器的想法分配给苏里,作为他的暑期项目。

"佩尼亚说:"我总是被鼓励把想法交给年轻的、有才华的人,让他们带着它运行。

苏里很兴奋地接受了这个挑战。"我爱上了这个项目的原创性,"他说。"我渴望沉下心来研究它。

测试这一概念

苏里首先扫描了模拟的长寿命粒子衰变的事件显示,以寻找任何共同的视觉模式。然后,他探索了CMSμon探测器系统的原始技术设计报告,以了解它对这些模式的敏感程度。

"他说:"看着独特的探测器设计和高度敏感的元素,我能够意识到这是一个多么强大的工具。

到夏天结束时,苏里的工作表明,不仅使用μ介子系统来探测长寿命粒子是可行的,而且CMS的科学家可以使用预先存在的LHC数据来启动搜索。

"在这一点上,闸门打开了,"苏里说。

2019年秋天,王晓东在这个项目上发挥了主导作用。苏里已经表明,这个想法是可能的;王想知道它是否是现实的。

到目前为止,他们一直在使用来自μon系统的处理过的数据,这并不适应他们想要做的那种搜索。"王说:"在μ介子系统中使用的所有重建技术都是为探测μ介子而优化的。

王、佩尼亚和加州理工学院教授谢思思安排了一次与μ介子系统专家的放大会议,以征求意见。

"王说:"他们对我们想用μ介子系统来推断长寿命粒子真的很惊讶。"他们说,'它不是用来做这个的'。他们认为这是个奇怪的想法。"

专家们建议该团队应该尝试看一下原始数据。

这样做将需要从磁带中提取未经处理的信息,然后开发新的软件和模拟,可以重新解释数以千计的原始探测器命中。这项任务即使不是不可能完成,也是非常艰巨的。

在μ介子系统专家离开电话后,Wang记得,"我们还在Zoom房间里,想,'我们要不要继续这样做?

她说这并不是一个严肃的问题。当然,他们做到了。

一个属于他们自己的触发器

2020年秋天,马丁-郭在费米实验室开始了一个博士后职位。"我们被鼓励与尽可能多的小组交谈,思考我们最想从事的工作,"他说。

他会见了费米实验室的研究员Artur Apresyan,后者告诉他与加州理工学院的合作,将CMSμon系统转换成一个长寿命的粒子探测器。"这立刻就有了吸引力,"郭说。"我们很少有机会为我们的探测器探索新的用途。"

王和她的同事们已经推进了这个想法,提取、处理和分析了CMSμon系统在2016年至2018年间记录的原始数据。

它已经成功了,但他们可用于研究的数据集并不理想。

大型强子对撞机每秒产生约10亿次碰撞--比科学家能够记录和处理的多得多。因此,科学家们使用称为触发器的过滤器来快速评估和分类新的碰撞数据。

每十亿次碰撞中,只有大约1000次被触发器认为是 "有趣的",并保存下来进行进一步分析。王和她的同事已经确定,最接近他们正在寻找的过滤器是那些被编程为寻找暗物质迹象的过滤器。

阿普雷西安向郭明义建议,他可以设计一个新的触发器,实际上是为了寻找长寿命粒子的迹象。他们可以在2022年春季大型强子对撞机重新开始运行之前将其安装在CMSμon系统中。

有了一个专门的触发器,他们可以将被认为对长寿命粒子搜索 "有趣 "的事件数量增加30倍。"我们并不经常看到我们捕捉潜在信号事件的能力增加30倍,"郭说。

郭说,他愿意接受这个挑战。这也是一个挑战。

"做一些不同的事情--做一些创新的事情--的代价是你必须发明你自己的工具,"郭说。

CMS的合作由数千名科学家组成,他们都使用自己在过去20年里开发和磨练的集体研究工具。"这有点像用乐高积木建造,"郭说。"所有的部件都在那里,取决于你如何使用和组合它们,你几乎可以做出任何东西。"

但是开发这种专门的触发器并不像挑选正确的乐高积木,而更像是用融化的塑料创造一个新的乐高积木碎片。

为了寻找他的原材料,Kwok挖掘了实验的档案。他发现了一个由CMS开发但很少使用的旧软件。"他说:"这个已经淡出人们视线的遗留工具原来是非常方便的。

郭和他的合作者还必须调查将一个新的触发器整合到μ介子系统中是否可能。"电子装置中只有这么多的带宽可以向上游发送信息,"郭说。

"我很感谢我们的合作祖先在设计CMS缪子系统时,有几个未使用的位子。否则,我们将不得不重新发明整个触发方案。"

最初的可行性研究现在已经发展成为一项国际努力,有更多的机构为数据分析和触发器研发作出贡献。为这项研究做出贡献的美国机构是由美国能源部和国家科学基金会资助的。

"因为我们还没有专用的长寿命粒子触发器,所以我们的效率很低,"王说。"但是我们表明这是可能的--而且不仅是可能的,我们还在检修CMS的触发系统,以进一步提高灵敏度。"

大型强子对撞机计划持续到20世纪30年代,沿途有几个主要的加速器和探测器的升级。王说,为了继续在最基本的层面上探测自然,科学家们必须保持在探测器技术的前沿,并质疑每一个假设。

"她说:"那么新的探索领域自然会随之而来。"长寿命粒子只是这些新领域中的一个。我们才刚刚开始。"

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