Disappearing Tracks from Electroweak Vector Dark Matter at the LHC

L'univers est rempli de matière que nous ne pouvons pas voir. Les astronomes ont mesuré son attraction gravitationnelle sur les galaxies et la toile cosmique, confirmant que cette substance invisible, connue sous le nom de matière noire, constitue la majeure partie de la masse du cosmos. Pourtant, malgré des décades de recherches, personne n'a détecté directement une seule particule de matière noire. La théorie dominante suggère que ces particules sont des « WIMPs » (particules massives interagissant faiblement). Ce sont des entités lourdes et invisibles qui entrent rarement en collision avec la matière ordinaire, ce qui les rend incroyablement difficiles à capturer. Pour les trouver, les physiciens construisent de gigantesques détecteurs profondément sous terre ou utilisent de puissants collisionneurs de particules comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Suisse. L'idée est de briser des protons les uns contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière, dans l'espoir de créer une particule de matière noire qui s'échappe de la collision, laissant derrière elle une signature d'énergie manquante ou une trace étrange et persistante dans le détecteur.

Une équipe de chercheurs a récemment porté son attention sur un candidat spécifique et insaisissable pour cette matière noire : une particule lourde et invisible accompagnée d'une partenaire chargée. Dans ce scénario, la particule de matière noire fait partie d'une famille plus large de particules qui interagissent via la force nucléaire faible. Bien que le membre principal de la matière noire soit neutre et invisible, la famille comprend également une version chargée. En raison d'une infime différence de masse entre les deux, la partenaire chargée est instable et finit par se désintégrer en la particule de matière noire invisible. Cependant, cette désintégration ne se produit pas instantanément. La particule chargée parcourt une distance mesurable à l'intérieur du détecteur avant de disparaître. Cela crée un signal unique : une ligne droite et courte dans le système de traçage qui s'arrête simplement, comme si la particule s'était volatilisée dans l'air. Cette « piste disparaissante » est la signature spécifique que les chercheurs cherchaient à identifier.

Les scientifiques se sont concentrés sur un modèle théorique où le candidat de la matière noire est une particule de spin 1, ce qui signifie qu'elle possède un type spécifique de moment angulaire intrinsèque, et qui existe au sein d'une famille de cinq membres. Dans ce modèle, le membre chargé est légèrement plus lourd que le membre neutre de la matière noire. Cette petite différence de masse est cruciale. Elle force la particule chargée à se désintégrer en la particule neutre et en un pion très léger et « mou » (un type de particule subatomique). Comme l'énergie libérée est si faible, le pion se déplace trop lentement pour être détecté par les couches extérieures de la machine. La particule chargée, cependant, parcourt une distance suffisante pour laisser une marque claire dans les couches internes du détecteur avant de se désintégrer. Le résultat est une piste qui commence au centre du détecteur et s'arrête brusquement, sans aucune correspondance de signal dans les couches extérieures.

Pour tester cette idée, les chercheurs ont analysé les données de l'expérience ATLAS au LHC, en utilisant l'ensemble complet des données collectées lors du deuxième cycle de fonctionnement de la machine, ce qui correspond à 137 femtobarns inverses de collisions. Ils n'ont pas cherché de nouvelles données, mais ont plutôt réexaminé des résultats de recherche existants. La collaboration ATLAS avait précédemment recherché des pistes disparaissantes pour trouver des particules à longue durée de vie prédites par la supersymétrie, une autre théorie de la physique. La nouvelle équipe a adapté cette recherche pour cibler spécifiquement le candidat de matière noire de spin 1. Ils ont construit une simulation informatique de la manière dont ces particules se comporteraient, comment elles seraient produites lors des collisions et comment elles se déplaceraient dans le détecteur. Ils ont calculé la probabilité qu'une particule ayant une durée de vie spécifique laisse une piste que le détecteur puisse voir, en tenant compte du fait que la particule doit voyager suffisamment loin pour atteindre les couches externes du traçeur interne, mais pas trop loin pour ne pas atteindre la couche suivante du détecteur.

L'analyse a révélé que les données actuelles du LHC ont déjà écarté une large gamme de possibilités pour ce type de matière noire. Si la particule chargée a une durée de vie lui permettant de parcourir environ 250 millimètres avant de se désintégrer, l'expérience a exclu l'existence de ces particules avec des masses allant jusqu'à 1080 gigaelectronvolts. C'est une masse lourde, environ 1000 fois la masse d'un proton. Pour les particules ayant des durées de vie plus courtes, la limite descend à 450 gigaelectronvolts, et pour celles ayant des durées de vie plus longues, la limite reste élevée, autour de 855 gigaelectronvolts. Les chercheurs ont également examiné la relation entre la masse de la particule et la minuscule différence de masse qui induit la désintégration. Ils ont constaté que pour une différence de masse spécifique de 166 megaélectronvolts, les particules avec des masses inférieures à 630 gigaelectronvolts sont exclues. Si la différence de masse est de 200 megaélectronvolts, la limite est de 395 gigaelectronvolts.

Peut-être plus important encore, l'équipe a vérifié ses conclusions par rapport aux prédictions spécifiques de leur modèle théorique. Le modèle prédit que la différence de masse entre les particules chargées et neutres est générée par des effets quantiques et dépend de la manière dont les particules interagissent avec le champ de Higgs. Pour une intensité d'interaction spécifique et faible, le modèle prédit que des particules avec des masses comprises entre 120 et 300 gigaelectronvolts devraient exister. Cependant, les données expérimentales montrent que les particules dans toute cette gamme de masses, avec les différences de masse prédites, n'existent pas. Le modèle est effectivement invalidé pour ces masses. Les chercheurs ont noté que si l'intensité de l'interaction était plus grande, la différence de masse prédite serait plus importante, provoquant une désintégration trop rapide des particules pour qu'elles soient visibles par cette recherche spécifique, laissant cette partie de la théorie non contrainte.

Dans l'optique de l'avenir, les chercheurs ont calculé ce qui se passerait si le LHC collectait trois fois plus de données, un scénario attendu dans le futur. Avec un ensemble de données plus vaste, la recherche deviendrait sensible à des particules beaucoup plus lourdes. Si le bruit de fond provenant d'erreurs aléatoires du détecteur pouvait être maintenu à zéro, l'expérience pourrait potentiellement trouver ou exclure des particules avec des masses allant jusqu'à 1750 gigaelectronvolts. Même avec une estimation plus réaliste du bruit de fond, la portée s'étendrait à 1530 gigaelectronvolts. Cela couvrirait une vaste gamme de masses actuellement inconnues. L'étude démontre que la signature de la piste disparaissante est un outil puissant pour traquer ces particules lourdes et invisibles. Bien que ce modèle spécifique de matière noire soit exclu dans la gamme de masses inférieure, la méthode reste une stratégie vitale pour explorer les recoins inconnus de l'univers. La recherche continue, le LHC étant prêt à sonder le monde subatomique plus profondément que jamais.