Desde a década de 1960, os cientistas descobriram mais de uma dúzia de partículas fundamentais. Todos eles se encaixaram perfeitamente na estrutura teórica conhecida como Modelo Padrão, a melhor descrição que os físicos têm do mundo subatômico.



O bóson de Higgs, que foi co-descoberto pelos experimentos CMS e ATLAS no Large Hadron Collider do CERN em 2012, foi a última partícula fundamental prevista pelo Modelo Padrão.

Apesar desta grande descoberta, os cientistas ainda têm muitas dúvidas sobre os blocos de construção fundamentais do universo. Os pesquisadores sabem que o Modelo Padrão está incompleto e não pode explicar muitos fenômenos físicos – sendo a matéria escura um exemplo notável.

Cientistas de todo o mundo estão a ultrapassar os limites do modelo padrão e à procura de novas partículas que possam ajudar a explicar questões pendentes sobre o funcionamento interno do Universo.

“Nosso objetivo é encontrar novas partículas”, disse Cristian Peña, organizador do grupo de partículas exóticas CMS e cientista do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi do Departamento de Energia dos EUA. "É para isso que estamos aqui."

Peña e outros cientistas do Fermilab colaboraram recentemente com os seus colegas internacionais no CMS para criar uma nova ferramenta que lhes permite explorar partículas que podem viajar cerca de 1 a 10 metros antes de se decomporem em subprodutos mais estáveis.

Agora os cientistas estão analisando o novo conjunto de dados produzido por esta ferramenta. Segundo Peña, eles encontrarão uma nova física ou estabelecerão os limites mais rigorosos na busca por partículas de vida longa:uma classe de partículas teóricas que podem viajar profundamente no detector antes de criar sinais visíveis.

“O nosso conjunto de dados já não duplica a cada seis meses como acontecia no início do programa”, diz Sergo Jindariani, cientista sénior do Fermilab. “Os locais onde ainda poderíamos fazer descobertas rápidas são aqueles onde nunca olhávamos antes, e as partículas de vida longa são um exemplo disso.”

Quando os cientistas construíram as experiências para o LHC, assumiram que as novas partículas se comportariam como aquelas que tinham descoberto no passado e decairiam muito rapidamente. Por exemplo, o quark top, descoberto no Fermilab em 1995, tem um tempo de vida de aproximadamente 5×10 ⁻²⁵ segundos. Isso é tão curto que os quarks top decaem antes que possam percorrer o comprimento de um átomo de hidrogênio. Mas agora cada vez mais cientistas questionam esta suposição.

“Procuramos por toda parte e não encontramos nada até agora”, disse Peña. "Sabemos que podemos fazer melhor usando o tempo de vida das partículas."

Os cientistas já sabem que as partículas têm uma ampla gama de tempos de vida. Por exemplo, os quarks bottom podem viajar alguns milímetros antes de decaírem, e os múons podem viajar algumas centenas de metros. Hoje, os cientistas perguntam:e se houver novas partículas que caiam em algum ponto intermediário?

Mesmo que essas partículas de vida longa sejam extremamente raras, o CMS ainda terá uma boa chance de vê-las se estiverem sendo produzidas pelo LHC.

“O sistema de múons CMS tem muito material, então se partículas de vida longa estiverem decaindo dentro do nosso detector, deveremos ver uma chuva de partículas nas câmaras de múons”, disse Peña. "A assinatura é muito poderosa."

Mas a questão era se os cientistas conseguiriam encontrar estas inesperadas chuvas de partículas escondidas nos seus dados. O LHC produz cerca de um bilhão de colisões próton-próton a cada segundo. Como mais de 99,99% das colisões geram partículas e fenômenos físicos desinteressantes, os cientistas usam dispositivos de classificação de dados chamados gatilhos. Os gatilhos escolhem 0,01% dos principais eventos a serem processados ​​e armazenados na Grade Computacional Mundial do LHC e descartam o restante.

“O CMS é um detector extremamente bem-sucedido”, disse Jindariani. "Ele realmente faz a física para a qual foi projetado. Mas partículas de vida longa não eram algo que as pessoas tinham em mente quando estavam projetando o sistema de disparo CMS."

A equipe percebeu que, se quisessem melhorar suas chances de encontrar partículas de vida longa com o experimento CMS, precisariam atualizar o gatilho do CMS para procurar a assinatura impressionante e peculiar que se espera que essas partículas deixem no detector.

“Com um gatilho dedicado, vimos que poderíamos ganhar uma ordem de grandeza na sensibilidade dessas buscas”, disse Jindariani.

Mas atualizar o gatilho é sempre uma tarefa complicada. Foi necessária ajuda e experiência de pesquisadores e engenheiros em toda a colaboração do CMS. Jindariani destacou que o sistema de disparo depende de vários fluxos de dados de diferentes partes do detector. Esses fluxos de dados operam como estradas em uma cidade e permitem que os dados fluam das partes mais externas do detector para o centro de processamento do “centro da cidade”, onde os dados são compilados e rapidamente avaliados por algoritmos. Adicionar um novo fluxo de dados é como adicionar uma ciclovia a uma área metropolitana já movimentada.

“Seria necessário coexistir com outros gatilhos”, disse Jindariani. "Essa é uma jogada delicada; não queremos danificar o que já está em vigor."

Após extensa análise do gatilho do CMS e discussões com a colaboração, a equipe percebeu que era possível, graças a alguns pedaços não utilizados que sobraram do design original. Mas então surgiu o desafio de realmente implementar seu novo gatilho no processamento de dados do experimento.

“Depois que todos concordaram com a implementação conceitual, precisávamos entrar no firmware e no software”, disse Jindariani.

O firmware fornece instruções básicas de máquina que permitem que o hardware – neste caso, Field Programmable Gate Arrays – funcione de acordo com o algoritmo programado. Os FPGAs podem ser muito rápidos, mas muitas vezes não são muito dinâmicos.

“Os FPGAs têm uma quantidade limitada de poder de processamento e os algoritmos de gatilho do CMS consomem muitos recursos”, disse Jindariani. “Precisávamos ser inteligentes para não sobrecarregar as capacidades dos FPGAs.”

Como o LHC faz com que os prótons colidam a cada 25 nanossegundos, seu novo gatilho também precisava ser rápido.

“Estamos presos a intervalos de tempo”, disse Jindariani. "O algoritmo precisa ser executado em algumas centenas de nanossegundos. Se demorar mais, não é bom o suficiente. Este trabalho só foi possível através de uma forte equipe de cientistas e engenheiros trabalhando juntos."

Mesmo depois de resolvidos os desafios de gerenciamento de recursos e tempo, a equipe ainda teve que resolver alguns contratempos inesperados. Durante a fase de testes, eles viram que o gatilho era ativado a cada colisão. Após uma análise mais aprofundada, eles descobriram que isso acontecia porque o transmissor de um dos sistemas de múons estava com defeito.

“Este era um problema que já existia antes, mas os outros gatilhos não o perceberam porque não o procuravam”, diz Jindariani.

Depois que todas as falhas foram resolvidas, o gatilho avaliou todas as colisões do LHC que aconteceram dentro do detector CMS entre 2022 e 2023 – cerca de 10 ¹⁶ , ou 10 milhões de bilhões, e coletou um conjunto de dados com cerca de 10 ⁸ eventos. Os cientistas estão atualmente analisando este novo conjunto de dados e esperam obter os primeiros resultados neste verão.

“Esse gatilho é uma das grandes inovações do CMS”, diz Peña. "Ou encontraremos novas partículas ou - se a natureza não quiser que seja assim - estabeleceremos limites mais rigorosos para partículas de vida longa."

Fornecido pelo Fermi National Accelerator Laboratory