Search for dark matter produced in association with a low-multiplicity jet in proton-proton collisions at = 13 TeV
Utilizzando 138 fb di dati di collisioni protone-protone a 13 TeV dell'esperimento CMS, questo studio presenta la prima ricerca LHC per la materia oscura prodotta con un jet a bassa molteplicità, impiegando l'apprendimento automatico per stabilire limiti superiori al livello di confidenza del 95% sulle sezioni d'urto di produzione all'interno di modelli di mediatore vettoriale e assiale-vettoriale semplificati.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo
L'universo è pieno di cose che possiamo vedere: stelle, nubi di gas e i vasti vuoti oscuri tra di esse. Eppure, gli astronomi sanno che la materia visibile costituisce solo una piccola frazione di ciò che esiste. Il resto è una sostanza invisibile chiamata materia oscura, che esercita gravità ma non emette né riflette luce. Sappiamo che è presente perché la sua attrazione gravitazionale tiene insieme le galassie, ma non abbiamo mai catturato direttamente un barlume di una particella di materia oscura. Rimane uno dei più grandi misteri della fisica, una presenza spettrale che modella il cosmo mentre si nasconde ai nostri telescopi più potenti. Per trovarla, gli scienziati devono cercare le sottili impronte che potrebbe lasciare quando interagisce con la materia ordinaria, o forse quando viene creata nelle violente collisioni di particelle ad alta energia.
Al Large Hadron Collider, un enorme anello di magneti sepolto sotto il confine tra Francia e Svizzera, i fisici fanno scontrare protoni tra loro a velocità vicine a quella della luce. Queste collisioni ricreano le condizioni estreme dell'universo primordiale, potenzialmente generando nuove particelle pesanti che scompaiono quasi istantaneamente. In uno studio recente, la collaborazione CMS, un team di migliaia di scienziati che lavora con uno dei giganti rilevatori del collider, ha cercato una firma molto specifica e insolita della materia oscura. Invece di cercare l'ordinario spruzzo di detriti, hanno cercato uno scenario in cui la materia oscura venga prodotta insieme a un singolo, stretto getto di energia. Questo getto non è lo spruzzo disordinato di particelle tipico degli impatti ad alta energia, ma un fascio stretto e concentrato contenente pochissimi costituenti, che ricorda una matita nella sua stretta forma.
I ricercatori hanno analizzato i dati corrispondenti a una luminosità integrata di 138 fb⁻¹, registrata tra il 2016 e il 2018. Cercavano eventi in cui questo getto stretto rimbalzasse contro una grande quantità di energia mancante, il che avrebbe indicato che particelle di materia oscura invisibili erano sfuggite al rilevatore. Poiché il segnale è così debole e facilmente nascosto dal rumore di fondo delle interazioni di particelle ordinarie, il team ha impiegato strumenti avanzati di apprendimento automatico. Questi programmi informatici sono stati addestrati per distinguere le sottili differenze tra la rara firma della materia oscura e i comuni eventi di fondo, agendo come un filtro altamente sensibile per setacciare miliardi di collisioni.
La ricerca non ha prodotto prove di materia oscura. Il numero di eventi osservati corrispondeva perfettamente alle previsioni della fisica standard, senza eccessi inaspettati che suggerissero la presenza di nuove particelle. Sebbene questo possa sembrare un risultato nullo, è un reperto potente perché permette agli scienziati di escludere teorie specifiche su come la materia oscura potrebbe comportarsi. Non trovando il segnale, il team è stato in grado di escludere una vasta gamma di possibilità. Hanno determinato che, se le particelle di materia oscura hanno una massa di circa 150 miliardi di elettronvolt, le particelle che potrebbero trasportare la forza tra di esse (chiamate mediatori) non possono essere più leggere di circa 4,25 trilioni di elettronvolt. Per particelle di materia oscura più pesanti, circa 550 miliardi di elettronvolt, i mediatori sono esclusi fino a masse di 3,5 trilioni di elettronvolt.
Questo lavoro rappresenta la prima volta che il Large Hadron Collider ha preso di mira specificamente questa firma di getto a bassa molteplicità, una strategia che non era stata esplorata in precedenza. Il fatto che la ricerca sia rimasta vuota ci dice che, se la materia oscura esiste in questa particolare forma, è ancora più elusiva di quanto precedentemente pensato, nascosta dietro un muro di energia più alto di quanto gli scienziati sperassero di penetrare con i dati attuali. I risultati forniscono un confine chiaro per le ricerche future, guidando i teorici a guardare in direzioni diverse o verso scale di energia più elevate. La ricerca continua, ma per ora, il settore oscuro rimane nascosto, e l'universo tiene il suo segreto più fondamentale al sicuro dagli occhi del rilevatore.
Sommerso dagli articoli nel tuo campo?
Ricevi digest giornalieri degli articoli più recenti corrispondenti alle tue parole chiave di ricerca — con riassunti tecnici, nella tua lingua.