Badacze z Warszawy biorą udział w eksperymencie CMS od 1991 roku. Detektor CMS, zbudowany i modyfikowany przy istotnym udziale grupy warszawskiej, działa przy akceleratorze Large Hadron Collider (LHC) w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) koło Genewy.

W tym serwisie prezentujemy nasz wkład w budowę detektora CMS, oraz w badania prowadzone przy jego użyciu.

Warszawska grupa eksperymentu CMS tworzona jest przez Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Narodowe Centrum Badań Jądrowych oraz Politechnikę Warszawską. Obecnie w skład grupy wchodzi około 15 fizyków, około 10 studentów i doktorantów oraz kilku inżynierów. Kierownikiem grupy jest prof. ucz. dr hab. Marcin Konecki.

Dzięki rozbudowanemu systemowi informatycznemu eksperymentu CMS studenci, doktoranci i fizycy w Warszawie mogą analizować zebrane dane i uczestniczyć w zebraniach współpracy CMS. Natomiast sam proces zbierania danych oraz napraw i modyfikacji detektora wymaga obecności w CERN kompetetnych członków grupy.

Obecnie jesteśmy po dwóch okresach zbierania danych, tzw. Run-1 i Run-2.  Run-3 rozpoczął się w lipcu 2023 r.  ma potrwać do końca 2025 roku.

W pierwszym okresie zbierania danych (2010-2012) zderzenia protonów rozpędzanych przez akcelerator LHC zachodziły początkowo (2010) z energią 7 TeV (teraelektronowoltów), która została następnie podniesiona do 8 TeV (2011-2012).

Analizy fizyczne wykonane w tym okresie pozwoliły na uzyskanie szeregu bardzo istotnych wyników. Do najbardziej spektakularnych należało odkrycie bozonu Higgsa. Na podstawie połączonych wyników z eksperymentów ATLAS i CMS (z danymi Run-1) wyznaczono precyzyjnie masę odkrytego bozonu na m_H = 125.35 ± 0.15 GeV oraz potwierdzono zgodność jego własności z przewidywaniami Modelu Standardowego dla bozonu Higgsa o tej masie.

Następnie, po dwuletniej przerwie na modernizację akceleratora LHC i eksperymentów przy nim, ruszył Run-2. W tym okresie energia zderzeń protonów została podniesiona do 13 TeV. Poniżej zamieszczamy wizualizację jednego z pierwszych zderzeń z energią 13 TeV zarejestrowanego przez detektor CMS.

Dane zebrane w czasie Run-2 nie przyniosły tak spektakularnych wyników jak odkrycie bozonu Higgsa, ale pozwoliły na bardziej precyzyjne badnie jego własności. W szczególności udało się zaobserwować odziaływanie bozonu Higgsa z fermionami nacięższej trzeciej generacji: kwarkami b i t oraz leptonami tau (co jest jedną z aktywności naszej grupy, więcej tu).

Jedną z istotnych obserwacji dokonanych w Run-2 jest… brak obserwacji nowych cząstek przewidywanych przez teorie rozszerzające Model Standardowy. Oznacza to, że Natura wygląda inaczej niż wydawało się teoretykom jak mogłaby wyglądać przed uruchomieniem LHC i zebraniem wielkiej ilości danych. Być może nowe cząstki słabo oddziałują z cząstkami Modelu Standardowego i trudno je wyprodukować i zarejstrować, a może są zbyt ciężkie by być produkowane w zderzeniach LHC?

Odpowiedź na te pytania może dać poszukiwanie cząstek dających nietypowy (“egzotyczny”) sygnał w detektorze, np. ciężkich cząstek długożyciowych jakimi zajmujemy się w naszej grupie (zobacz tu).

Inną metodą poszukiwań jest precyzyjna weryfikacja przewidywań Modelu Standardowego – niezgodność wyników z przewidywaniem może oznaczać poszukiwany sygnał. Ciekawą grupą procesów, które mogą służyć takim precyzyjnym testom, są procesy rozpraszania bozonów wektorowych W i Z (ang. vector boson scattering, VBS), którymi zajmujemy się w naszej grupie (zajrzyj tu). Współpraca CMS ogłosiła pierwszą obserwację produkcji bozonów W w procesie VBS przy energii 13 TeV używając danych zebranych w 2016 r., a pierwsze szczegółowe badania tego procesu w funkcji różnych zmiennych kinematycznych zostały przeprowadzane przy użyciu pełnego zbioru danych Run-2 (zobacz tu).

Ilość danych zebranych w czasie Run-2 sprawia, że będą one sukcesywne analizowane przez cały okres gdy nie będzie zderzeń, równolegle ze zbieraniem dany w czasie Run-3.