Displaced tracks as a signal of dark matter co-annihilation: a case study using inert doublet model at $e^+e^-$ collider

El universo está lleno de una misteriosa sustancia llamada materia oscura. No podemos verla, tocarla ni olerla, pero sabemos que está ahí porque su gravedad mantiene unidas a las galaxias y desvía la trayectoria de la luz. Constituye aproximadamente una cuarta parte de todo lo que existe, pero a pesar de décadas de búsqueda, ningún experimento ha logrado capturar jamás una sola de sus partículas. Los científicos han intentado encontrarla escuchando si choca con átomos en las profundidades del subsuelo o buscando el destello de luz que podría producir al colisionar con otras partículas de materia oscura en el espacio. Hasta ahora, estos esfuerzos han resultado infructuosos. Este silencio ha llevado a los investigadores a considerar una posibilidad diferente: quizás la materia oscura no es una partícula única y solitaria, sino parte de una familia oculta. En este escenario, la materia oscura podría tener parientes cargados más pesados que son casi de la misma masa pero ligeramente diferentes. Si estos parientes existen, podrían ayudar a explicar cuánta materia oscura vemos hoy en día, pero también dejarían tras de sí una firma muy específica y extraña si pudiéramos captarlos en una máquina.

Un equipo de físicos ha explorado recientemente cómo encontrar a estos parientes ocultos utilizando un futuro tipo de colisionador de partículas. Se centraron en una teoría específica llamada Modelo del Doblete Inerte, que sugiere que la materia oscura es una partícula neutra que es casi idéntica en peso a una compañera cargada. Debido a que sus pesos son tan cercanos, la compañera cargada no puede decaer fácilmente en la partícula de materia oscura. En su lugar, vive durante un tiempo sorprendentemente largo antes de finalmente descomponerse. Cuando lo hace, libera la partícula de materia oscura y un fragmento de escombros diminuto y de movimiento lento. En un detector de partículas normal, esto parecería una partícula cargada que recorre una distancia corta, se detiene repentinamente y desaparece, dejando tras de sí una estela tenue y suave que termina abruptamente. Esto se conoce como una "traza desaparecida". Los investigadores simularon cómo se vería esto en un futuro colisionador de electrones-positrones, una máquina que hace chocar electrones y sus contrapartes de antimateria a energías increíblemente altas. Descubrieron que, si estas partículas ocultas existen, este tipo específico de máquina sería el lugar perfecto para detectarlas, ofreciendo una visión mucho más clara de lo que pueden proporcionar los experimentos actuales.

El equipo comenzó mapeando las reglas de su modelo para asegurar que coincidiera con lo que ya sabemos del universo. Verificaron que las partículas que propusieron producirían la cantidad correcta de materia oscura observada en el cosmos y que no habrían sido detectadas por experimentos previos. Identificaron cuatro escenarios específicos, o "puntos de referencia", donde las partículas tendrían masas que oscilan entre aproximadamente 560 y 1,200 veces la masa de un protón. En estos escenarios, la diferencia de peso entre la materia oscura y su compañera cargada es muy pequeña, a menudo menor que el peso de un solo núcleo atómico. Esta mínima diferencia es crucial porque obliga a la partícula cargada a vivir más tiempo de lo habitual. Los investigadores calcularon que, para estas masas específicas, la partícula cargada viajaría desde unos pocos centímetros hasta casi un metro dentro del detector antes de decaer. Esta distancia es lo suficientemente larga como para ser medida, pero lo suficientemente corta como para ocurrir dentro del equipo de seguimiento.

Para ver si estas partículas podían encontrarse, los investigadores simularon millones de colisiones en un futuro colisionador con una energía de 3 tera-electrónvoltios. Observaron el evento específico en el que se crea un par de estas partículas cargadas y luego viajan a través del detector. A medida que la partícula cargada se mueve, deja un rastro de señales, de forma muy similar a un avión que deja una estela de condensación. Sin embargo, debido a que la partícula finalmente decae en materia oscura invisible y un fragmento de escombros muy suave y lento, el rastro se detiene de repente. Los investigadores configuraron un filtro digital para buscar estos rastros "quebrados" o "desaparecidos" específicos. Requirieron que el rastro comenzara a cierta distancia del centro de la colisión y terminara dentro de las capas internas del detector. También comprobaron que el ángulo en el que el rastro se curvó o se detuvo fuera lo suficientemente nítido como para ser real y no simplemente un fallo aleatorio de la máquina.

Los resultados de su simulación fueron prometedores. Para el más ligero de sus cuatro escenarios, predijeron que, con un año de recolección de datos, la máquina vería casi 1,000 de estos eventos de desaparición. Incluso para el escenario más pesado, donde las partículas son más difíciles de producir, todavía esperaban ver docenas de señales claras. El estudio demostró que la capacidad de encontrar estas partículas depende en gran medida de la diferencia exacta en sus pesos. Si la diferencia es demasiado pequeña, las partículas viven demasiado tiempo y escapan del detector antes de decaer. Si la diferencia es demasiado grande, decaen demasiado rápido, desapareciendo antes de que puedan viajar lo suficiente como para ser notadas. El punto ideal se encuentra en un rango estrecho donde las partículas viajan lo suficiente como para ser captadas por los sensores. Los investigadores también señalaron que el ruido de fondo de la propia máquina sería muy bajo en este tipo de colisionador, lo que facilitaría mucho la detección de estos eventos raros en comparación con el entorno ruidoso de los grandes colisionadores actuales.

El estudio concluye que la búsqueda de estas trazas desaparecidas es una forma poderosa de probar la idea de un sector oscuro oculto. Aunque los investigadores no construyeron un detector físico ni realizaron un experimento real, sus detalladas simulaciones muestran que, si estas partículas existen, un futuro colisionador de electrones-positrones podría encontrarlas. El método se basa en el comportamiento único de las partículas que tienen casi, pero no exactamente, el mismo peso. Al buscar una partícula cargada que da unos pocos pasos y luego desaparece, los científicos podrían finalmente vislumbrar la familia de la materia oscura. El trabajo destaca que los experimentos de física de partículas de la próxima generación deben diseñarse para buscar estas señales sutiles y de larga duración, ya que podrían poseer la clave para resolver uno de los mayores misterios de la ciencia.