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

L'univers est rempli d'une substance mystérieuse appelée matière noire. Nous ne pouvons ni la voir, ni la toucher, ni l'odeur, pourtant nous savons qu'elle est là car sa gravité maintient les galaxies ensemble et dévie la trajectoire de la lumière. Elle constitue environ un quart de tout ce qui existe, mais malgré des décades de recherches, aucune expérience n'a jamais capturé une seule de ses particules. Les scientifiques ont tenté de la trouver en l'écoutant heurter des atomes profondément sous terre ou en cherchant l'éclat de lumière qu'elle pourrait produire lorsqu'elle s'entrechoque avec d'autres particules de matière noire dans l'espace. Jusqu'à présent, ces efforts sont restés vains. Ce silence a conduit les chercheurs à envisager une autre possibilité : peut-être que la matière noire n'est pas une particule unique et solitaire, mais fait partie d'une famille cachée. Dans ce scénario, la matière noire pourrait avoir des parentes plus lourdes et chargées, qui ont presque le même poids mais sont légèrement différentes. Si ces parentes existent, elles pourraient aider à expliquer la quantité de matière noire que nous observons aujourd'hui, mais elles laisseraient également une signature très spécifique et étrange si nous pouvions les capturer dans une machine.

Une équipe de physiciens a récemment exploré comment trouver ces parentes cachées à l'aide d'un futur type de collisionneur de particules. Ils se sont concentrés sur une théorie spécifique appelée le Modèle du Doublet Inerte, qui suggère que la matière noire est une particule neutre presque identique en poids à une partenaire chargée. Comme leurs poids sont si proches, la partenaire chargée ne peut pas se désintégrer facilement en la particule de matière noire. Au lieu de cela, elle vit pendant un temps étonnamment long avant de finalement se briser. Lorsqu'elle se brise, elle libère la particule de matière noire et un débris minuscule et de faible vitesse. Dans un détecteur de particules normal, cela ressemblerait à une particule chargée qui parcourt une courte distance, s'arrête soudainement et disparaît, laissant derrière elle une trace faible et douce qui s'interrompt brusquement. C'est ce qu'on appelle une « piste disparaissante ». Les chercheurs ont simulé l'apparence de ce phénomène dans un futur collisionneur électron-positon, une machine qui fracasse des électrons et leurs contreparties d'antimatière à des énergies incroyablement élevées. Ils ont découvert que si ces particules cachées existent, ce type spécifique de machine serait l'endroit idéal pour les repérer, offrant une vue bien plus claire que les expériences actuelles peuvent fournir.

L'équipe a commencé par cartographier les règles de leur modèle pour s'assurer qu'il correspond à ce que nous savons déjà de l'univers. Ils ont vérifié que les particules qu'ils proposaient produiraient la quantité de matière noire observée dans le cosmos et qu'elles n'auraient pas été détectées par des expériences précédentes. Ils ont identifié quatre scénarios spécifiques, ou « points de référence », où les particules auraient des masses allant d'environ 560 à 1 200 fois la masse d'un proton. Dans ces scénarios, la différence de poids entre la matière noire et sa partenaire chargée est très faible, souvent inférieure au poids d'un seul noyau atomique. Cette infime différence est cruciale car elle force la particule chargée à vivre plus longtemps que d'habitude. Les chercheurs ont calculé que pour ces masses spécifiques, la particule chargée parcourrait n'importe où de quelques centimètres à près d'un mètre à l'intérieur du détecteur avant de se désintégrer. Cette distance est assez longue pour être mesurée, mais assez courte pour se produire à l'intérieur de l'équipement de traçage.

Pour voir si ces particules pourraient être trouvées, les chercheurs ont simulé des millions de collisions dans un futur collisionneur d'une énergie de 3 téra-électronvolts. Ils ont observé l'événement spécifique où une paire de ces particules chargées est créée puis voyage à travers le détecteur. À mesure que la particule chargée se déplace, elle laisse une trace de signaux, semblable à un avion laissant une traînée de condensation. Cependant, comme la particule finit par se désintégrer en matière noire invisible et en un débris très doux et de faible vitesse, la trace s'arrête soudainement. Les chercheurs ont mis en place un filtre numérique pour rechercher ces traces « cassées » ou « disparaissantes » spécifiques. Ils ont exigé que la trace commence à une certaine distance du centre de la collision et qu'elle se termine dans les couches internes du détecteur. Ils ont également vérifié que l'angle auquel la trace s'est courbée ou arrêtée était assez net pour être réel et non un simple bug de la machine.

Les résultats de leur simulation étaient prometteurs. Pour le plus léger de leurs quatre scénarios, ils ont prédit qu'avec une année de collecte de données, la machine verrait près de 1 000 de ces événements de disparition. Même pour le scénario le plus lourd, où les particules sont plus difficiles à produire, ils s'attendaient toujours à voir des dizaines de signaux clairs. L'étude a montré que la capacité à trouver ces particules dépend fortement de la différence exacte de leurs poids. Si la différence est trop petite, les particules vivent trop longtemps et s'échappent du détecteur avant de se désintégrer. Si la différence est trop grande, elles se désintègrent trop vite, disparaissant avant de pouvoir parcourir une distance suffisante pour être remarquées. Le point d'équilibre se situe dans une plage étroite où les particules parcourent juste assez de distance pour être capturées par les capteurs. Les chercheurs ont également noté que le bruit de fond de la machine elle-même serait très faible dans ce type de collisionneur, ce qui rendrait beaucoup plus facile la détection de ces événements rares par rapport à l'environnement bruyant des collisionneurs actuels de grande taille.

L'étude conclut que la recherche de ces pistes disparaissantes est un moyen puissant de tester l'idée d'un secteur sombre caché. Bien que les chercheurs n'aient pas construit de détecteur physique ou lancé une véritable expérience, leurs simulations détaillées montrent que si ces particules existent, un futur collisionneur électron-positon pourrait les trouver. La méthode repose sur le comportement unique de particules qui ont presque, mais pas tout à fait, le même poids. En cherchant une particule chargée qui fait quelques pas puis disparaît, les scientifiques pourraient enfin entrevoir la famille de la matière noire. Ce travail souligne que la prochaine génération d'expériences de physique des particules doit être conçue pour chercher ces signaux subtils et de longue durée, car ils pourraient détenir la clé pour résoudre l'un des plus grands mystères de la science.