Search for events with one displaced vertex from long-lived neutral particles decaying into hadronic jets in the ATLAS muon spectrometer in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

L'univers est construit sur un ensemble de règles que les physiciens tentent de décoder depuis un siècle, un cadre connu sous le nom de Modèle Standard. Ce modèle explique avec succès la manière dont les plus petites particules connues interagissent, mais il laisse certaines des plus grandes questions du cosmos sans réponse. Il ne peut expliquer ce qu'est la matière noire, pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière, ou comment les particules acquièrent leur masse de manière à paraître naturelle. Pour combler ces lacunes, les scientifiques ont proposé l'existence de nouvelles particules cachées. Beaucoup de ces particules théoriques sont prédites comme étant « à longue durée de vie », ce qui signifie qu'elles ne disparaissent pas à l'instant même de leur création. Au lieu de cela, elles parcourent une distance mesurable loin du point de leur création avant de se désintégrer en matière ordinaire. Trouver ces voyageurs éphémères constituerait une découverte monumentale, offrant une fenêtre directe sur la physique qui se situe au-delà de notre compréhension actuelle.

Au Grand Collisionneur de Hadrons, un accélérateur de particules massif enfoui sous la frontière entre la France et la Suisse, les scientifiques font s'entrechoquer des protons à une vitesse proche de celle de la lumière pour recréer les conditions de l'univers primitif. L'expérience ATLAS, l'un des géants détecteurs entourant le point de collision, agit comme un appareil photo à haute vitesse capturant les débris de ces collisions. Dans une étude récente, la collaboration ATLAS a porté son attention sur une signature très spécifique et inhabituelle : un point de désintégration unique se produisant loin du site de collision, profondément dans les couches externes du détecteur. Alors que la plupart des particules se désintègrent immédiatement ou laissent une trace claire, ces particules hypothétiques à longue durée de vie parcourraient des mètres, parfois même des dizaines de mètres, avant d'éclater soudainement en un jet de particules ordinaires. Les chercheurs cherchaient un « vertex déplacé », un terme désignant un point de collision qui apparaît dans un endroit où aucune collision n'a réellement eu lieu, signalant qu'une particule cachée s'y est rendue au préalable.

L'équipe a analysé une vaste quantité de données collectées entre 2015 et 2018, correspondant à 140 unités d'intensité de collision. Elle s'est concentrée sur sa recherche dans le spectromètre à muons, la couche la plus externe du détecteur ATLAS, qui se situe entre trois et quatorze mètres du centre de la collision. Cette région est typiquement réservée à la capture des muons, un type de particule capable de pénétrer profondément dans la matière. Cependant, si une particule à longue durée de vie se désintègre là, elle créerait un amas de traces ressemblant à une minuscule explosion se produisant dans le vide spatial. Pour trouver ces événements rares, les scientifiques ont développé des algorithmes informatiques spécialisés capables de reconstruire ces explosions distantes et isolées, filtrant ainsi le bruit écrasant des collisions de particules ordinaires qui se produisent beaucoup plus près du centre.

La recherche a été conçue pour tester plusieurs théories différentes concernant la nature de ces particules cachées. Certaines théories suggèrent qu'elles sont liées au boson de Higgs, la particule découverte en 2012 qui donne leur masse aux autres particules. D'autres proposent qu'elles sont liées au déséquilibre entre la matière et l'antimatière dans l'univers, ou qu'il s'agit d'un type de « particule de type axion » qui interagit très faiblement avec la lumière. Les chercheurs ont également examiné des scénarios où ces particules sont produites aux côtés d'une particule connue appelée boson Z. En jetant un large filet à travers ces différentes possibilités, l'équipe a pu déterminer si l'un de ces modèles théoriques correspondait à la réalité de leurs données.

Après avoir passé au crible des millions d'événements enregistrés, les chercheurs n'ont trouvé aucune preuve de ces particules à longue durée de vie. Le nombre d'événements observés dans la partie externe du détecteur correspondait exactement à ce qu'ils attendaient des processus de fond connus, tels que des particules ordinaires perçant les couches internes du détecteur et imitant une désintégration distante. Puis aucun nouveau signal n'est apparu, l'équipe a pu établir des limites strictes sur l'existence de ces particules. Ils ont déterminé que si ces particules existent, elles ne peuvent pas être produites aux taux prédits par de nombreuses théories populaires. Plus précisément, pour les modèles impliquant le boson de Higgs, ils ont exclu la possibilité que le Higgs se désintègre en ces particules à longue durée de vie plus d'un pour cent du temps, pour des particules voyageant de cinq centimètres à quarante mètres avant de se désintégrer.

Pour les modèles impliquant des particules de type axion, cette recherche a produit les contraintes les plus fortes à ce jour pour les particules voyageant plus de quelques dizaines de centimètres. L'étude a également combiné ses résultats avec une recherche précédente qui cherchait deux désintégrations de ce type au lieu d'une seule, étendant ainsi la sensibilité à des durées de vie encore plus longues. Bien que la recherche n'ait pas trouvé les nouvelles particules qu'elle traquait, le résultat est une étape significative dans la quête de compréhension de l'univers. En éliminant ces possibilités spécifiques, les scientifiques ont réduit le chemin des découvertes futures, indiquant aux théoriciens précisément où ils n'ont pas besoin de chercher et guidant la prochaine génération d'expériences vers les recoins inexplorés restants de la physique.