La colaboración internacional que trabaja en el experimento CMS, y en la que participa desde hace años el Instituto de Física de Cantabria (IFCA), centro mixto del Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Cantabria (UC), ha presentado su primera búsqueda de nueva física, a partir de los datos del tercer periodo de funcionamiento del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), un periodo que se conoce como el Run 3. Además del IFCA en Cantabria, los resultados de esta búsqueda cuentan con el trabajo de investigadores/as del Instituto de Altas Energías de la Academia Austriaca de las Ciencias (HEPHY), la Universidad de California Los Ángeles (UCLA), Rice University, Universidad de Oviedo, y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

El equipo científico ha logrado examinar la posibilidad de producir «fotones oscuros» (dark photon) mediante la desintegración de bosones de Higgs en uno de los grandes aceleradores de partículas, el LHC. Estos fotones oscuros tienen dos particularidades: son partículas con un alto tiempo de vida, dado que tienen una vida media de más de una décima de una milmillonésima de segundo; y son exóticas porque no forman parte del Modelo Estándar de la Física de Partículas, esto es, la principal teoría sobre los componentes fundamentales del Universo; una teoría que, sin embargo, no responde a algunas cuestiones de Física, o de fenómenos que se escapan de dicho modelo. Este nuevo resultado ofrece más información a la comunidad investigadora sobre el proceso de cómo los bosones de Higgs se desintegran en fotones oscuros, estrechando aún más el área en la que los profesionales pueden buscarlos.

El equipo del IFCA se ha encargado, en este caso, de la búsqueda y análisis de estas partículas exóticas de tiempo de vida alto, muy diferentes al conocido Bosón de Higgs. Rubén López es investigador del instituto de física cántabro donde realiza su tesis doctoral desde hace un año y miembro del equipo de CMS y explica que, «para esta primera búsqueda se han utilizado datos de 2022, el primer año de operaciones del Run 3 del LHC, hemos analizado estos datos para realizar una búsqueda de nueva física.»

«Hemos interpretado los resultados en un modelo que predice una partícula de materia oscura, la que llamamos dark photon. Este análisis mejorado nos permite arrojar más luz y restringir más el espacio de fases en el que puede existir este tipo de partículas», sostiene López.

Según las predicciones realizadas por la comunidad científica, los fotones oscuros recorrerían una distancia medible en el detector CMS antes de desintegrarse en «muones desplazados». Si se rastrean las huellas de estos muones, se descubriría que no llegan hasta el punto de colisión, porque las huellas proceden de una partícula que ya se ha alejado cierta distancia, sin dejar rastro. Estos muones desplazados son el principal objeto de análisis en esta búsqueda.

Un algoritmo mejorado, el trigger

La tercera fase del LHC, que comenzó en verano de 2022, ofrece una luminosidad mayor que las anteriores, eso significa que se produce un mayor número de impactos, llegando a decenas de millones de colisiones por segundo, «un número incluso mayor de lo que podemos almacenar», comenta López. Lo que ocurre es que sólo unas pocas miles de estas colisiones pueden ser almacenadas, ya que el registro de cada colisión consumiría todo el almacenamiento de datos disponible. Por este motivo, CMS está equipado con un algoritmo de selección de datos en tiempo real denominado trigger, que decide si una determinada colisión entre partículas es interesante o no.

«En el Run 3 se han perfeccionado mucho los triggers, el sistema elige qué eventos nos interesan y cuáles no. Esto nos ha permitido seleccionar mejor los datos y tomar una mayor cantidad de los que necesitamos para la búsqueda de nueva física, perfeccionando sustancialmente la misma», explica López.

De esta forma se ha logrado sacar el máximo partido al LHC, obteniendo un resultado sólido utilizando sólo un tercio de la cantidad de datos de búsquedas anteriores. Para ello, el equipo ha perfeccionado el sistema de disparo añadiendo un nuevo algoritmo, denominado algoritmo de muones no puntuales. Esto permite explorar nuevas regiones en las que pueden esconderse estas partículas de larga vida de una forma precisa y optimizando el almacenamiento.

El equipo del CMS seguirá trabajando en técnicas más potentes para analizar todos los datos tomados en el funcionamiento del Run 3, con el objetivo de seguir explorando nueva física más allá del Modelo Estándar, unos resultados que serán publicados próximamente en las principales revistas científicas del área.