Illuminating Light Dark Matter with Fixed-Target Experiments
Cette thèse fait progresser la boîte à outils théorique et statistique pour la recherche de la matière noire légère (MeV–GeV) dans les expériences à cible fixe telles que LDMX et SHiP en développant des cadres complets pour la construction de modèles, l'inférence basée sur le vraisemblance, les ajustements globaux et des simulations de signal améliorées qui intègrent une modélisation nucléaire avancée.
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Depuis des décennies, les astronomes savent que les étoiles et les galaxies visibles de l'univers ne représentent qu'une petite fraction de ce qui existe réellement. Le reste est une substance invisible appelée matière noire, qui se manifeste uniquement par sa gravité, maintenant les galaxies ensemble et déviant le chemin de la lumière. Bien que nous puissions cartographier où se trouve cette masse invisible, nous n'avons aucune idée de sa composition. Pendant longtemps, les scientifiques ont cherché des particules lourdes et à mouvement lent, mais les détecteurs les plus sensibles n'ont rien trouvé. Cela a conduit les chercheurs à envisager une possibilité différente : la matière noire pourrait être composée de particules beaucoup plus légères, avec des masses allant de quelques millions d'électron-volts (MeV) à quelques milliards d'électron-volts (GeV). Si ces particules légères existent, elles seraient trop faibles pour percuter les noyaux atomiques lourds, ce qui est la méthode utilisée par les détecteurs traditionnels. Au lieu de cela, elles interagiraient avec les minuscules électrons orbitant autour des atomes, ou seraient créées lors de collisions à haute énergie dans des accélérateurs de particules.
Pour trouver ces particules insaisissables, un chercheur a développé une nouvelle façon de les chercher en utilisant un type spécifique d'expérience appelé recherche à cible fixe. Dans ces expériences, un faisceau d'électrons à grande vitesse est projeté sur un bloc de métal solide, comme le tungstène. Lorsque les électrons frappent le métal, ils peuvent créer de nouvelles particules. Si la matière noire existe et est suffisamment légère, elle pourrait être produite lors de ces collisions. Comme la matière noire n'interagit ni avec la lumière ni avec la matière ordinaire, elle traverserait les détecteurs sans laisser de trace. L'astuce consiste à mesurer l'énergie et la quantité de mouvement de l'électron qui rebondit sur la cible. Si l'électron perd plus d'énergie que prévu, ou rebondit selon un angle qui ne correspond pas à la physique standard, cela suggère que quelque chose d'invisible, comme la matière noire, a été créé et a emporté cette énergie. Cette énergie manquante est la signature que les scientifiques traquent.
Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur l'amélioration des outils nécessaires pour trouver ces particules légères, spécifiquement pour une expérience à venir appelée Light Dark Matter eXperiment, ou LDMX. Le chercheur a construit un cadre statistique sophistiqué pour analyser les données de ces collisions. Au lieu de simplement compter combien de fois un signal apparaît, sa nouvelle méthode examine la forme détaillée des données, en étudiant à la fois l'énergie de l'électron qui rebondit et l'angle sous lequel il s'envole. En comparant les données réelles à ce que la physique standard prédit, ils peuvent déterminer si un signal est réel ou s'il s'agit d'une simple fluctuation aléatoire. Ils ont testé ce cadre pour voir avec quelle efficacité LDMX pouvait distinguer différentes théories de la matière noire, concluant que l'expérience est capable non seulement de détecter un signal, mais aussi de faire la distinction entre divers types de particules de matière noire.
Au-delà de la simple recherche de la version la plus simple de la matière noire, le chercheur a étendu ses recherches pour inclure des théories plus complexes. Ils ont exploré des scénarios où la matière noire est une particule vectorielle, similaire à un photon mais dotée d'une masse, et ont étudié comment ces particules pourraient interagir via des effets électromagnétiques d'ordre supérieur. Ils ont également examiné comment la matière noire pourrait être produite dans d'autres types d'expériences utilisant des faisceaux de protons plutôt que des faisceaux d'électrons, comme l'expérience proposée SHiP. Dans ces simulations, ils ont découvert que de nouveaux modes de production, tels que la désintégration de particules lourdes appelées mésons vectoriels, pourraient augmenter considérablement les chances de trouver de la matière noire dans certaines plages de masses. Ce travail aide à définir la « cible thermique », une plage spécifique de propriétés où la matière noire existerait naturellement si elle avait été créée dans l'univers primordial, offrant ainsi aux futures expériences un objectif clair à atteindre.
Une partie cruciale de cette recherche a consisté à améliorer la façon dont les scientifiques modélisent la cible matérielle elle-même. Dans les calculs précédents, la cible métallique était souvent traitée comme un objet simple et uniforme. Cependant, le chercheur a utilisé des méthodes de physique nucléaire avancées pour modéliser la cible comme un système complexe de protons et de neutrons interagissant entre eux. Ils ont découvert que cette vision détaillée du noyau atomique modifie les prédictions concernant la fréquence à laquelle la matière noire est produite, en particulier pour les particules de matière noire plus lourdes. En intégrant ces structures nucléaires réalistes dans leurs simulations, ils ont montré que le signal attendu pourrait être plus fort que ce qui était précédemment estimé. Cela signifie que les futures expériences pourraient être encore plus sensibles que les estimations antérieures le suggéraient, à condition d'utiliser ces modèles plus précis pour interpréter leurs données.
L'objectif ultime de ce travail est de préparer le moment où une expérience pourrait enfin voir un signal. Le chercheur a développé un kit d'outils complet pour gérer ce moment, de la simulation de la création de la matière noire à l'analyse des données et la comparaison de différentes théories. Ils ont montré comment confirmer une découverte en vérifiant si les mêmes particules de matière noire pourraient également être vues dans d'autres types de détecteurs, créant ainsi une image cohérente à travers différentes expériences. Bien qu'aucune matière noire n'ait encore été trouvée, cette thèse fournit la feuille de route essentielle pour la prochaine génération de recherches. Elle comble le fossé entre les modèles théoriques complexes et la réalité pratique de la conduite d'une expérience, garantissant que, lorsque les données arriveront, les scientifiques sauront exactement comment les lire et ce qu'elles signifient pour notre compréhension de l'univers.
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