La distribution de l'impulsion transverse manquante (ETmiss) dans les événements avec trois électrons ou muons. Les histogrammes pleins indiquent les processus d'arrière-plan du modèle standard, les points avec des barres d'erreur indiquent les données, et les lignes pointillées indiquent des modèles hypothétiques avec des particules supersymétriques interagissant faiblement. La flèche indique la région utilisée pour rechercher un écart par rapport au modèle standard. Le graphique du bas montre le rapport entre les données et l'arrière-plan total du modèle standard. Crédit :Image :Collaboration ATLAS/CERN
La supersymétrie est une extension du modèle standard qui peut expliquer l'origine de la matière noire et ouvrir la voie à une grande théorie unifiée de la nature. Pour chaque particule du modèle standard, la supersymétrie introduit un nouveau "super-partenaire exotique, " qui pourraient être produites dans les collisions proton-proton. La recherche de ces particules est actuellement l'une des principales priorités du programme de physique du LHC. Une découverte transformerait notre compréhension des éléments constitutifs de la matière et des forces fondamentales, conduisant à un changement de paradigme en physique similaire à lorsque la relativité d'Einstein a remplacé la physique newtonienne classique au début du 20 e siècle.
Les particules supersymétriques (ou « particules ») sont regroupées en deux catégories aux propriétés différentes qui dépendent de la force de leurs interactions avec les protons. Des particules fortement interactives peuvent être produites à des taux élevés et conduire à des chocs, événements énergétiques dans le détecteur. Les particules interagissant faiblement sont produites à des taux plus faibles et conduisent à des signatures moins frappantes, ce qui les rend plus difficiles à distinguer des processus d'arrière-plan du modèle standard.
Étant donné que l'énergie de collision du LHC a été augmentée de 8 à 13 000 milliards d'électrons-volts (TeV) au cours de l'essai 2 pour améliorer la portée des découvertes, une grande variété de recherches de particules à interaction forte ont été effectuées. Les résultats nuls dans ces recherches indiquent que s'ils existent, les particules en interaction forte doivent être très lourdes – au moins plusieurs centaines de fois plus lourdes que le proton. En raison des taux de production plus faibles, des échantillons de données plus importants sont nécessaires pour sonder les particules à interaction faible, et des critères de sélection plus optimisés sont nécessaires pour distinguer le petit signal de l'arrière-plan.
Les physiciens d'ATLAS ont présenté l'une des premières recherches de Run 2 sur les particules à interaction faible lors de la conférence LHCP 2017. La recherche cible la production de particules appelées charginos, neutralinos lourds, et dormeurs. S'il est produit au LHC, ces particules se désintégreraient en leptons (électrons ou leurs cousins plus lourds, les muons) et des particules stables de matière noire appelées neutralinos légers. Ces neutralinos de matière noire emporteraient une énergie invisible car ils n'interagissent pas avec le détecteur, conduisant à des événements de collision déséquilibrés qui semblent violer la conservation de la quantité de mouvement. Cette "impulsion transversale manquante" est la signature clé exploitée par le détecteur ATLAS pour déduire la production de particules de matière noire.
L'analyse a sélectionné des événements de collision contenant deux ou trois électrons et muons et une grande quantité de mouvement transverse manquante. La figure montre la distribution mesurée (points de données) de l'impulsion transversale manquante dans les événements avec trois leptons, par rapport à celui attendu du modèle standard (histogramme coloré). Aucun écart significatif par rapport aux attentes n'a été observé. Les résultats ont été utilisés pour fixer des limites strictes sur les particules à interaction faible avec des masses aussi grandes que 1150 milliards d'électrons-volts (GeV), les particules les plus lourdes jamais sondées à ATLAS.
Les particules à interaction faible peuvent avoir échappé à la détection dans cette recherche si elles sont produites à de très faibles vitesses ou ne produisent pas beaucoup d'énergie dans le détecteur. Ces deux caractéristiques sont attendues dans les modèles avec des higgsinos légers, les super-partenaires du boson de Higgs. Les recherches futures exploiteront des échantillons de données plus importants pour atteindre une sensibilité à des taux de production encore plus faibles. Des améliorations de ces recherches sont en cours et utilisent des seuils d'impulsion leptonique réduits et de nouvelles variables discriminantes signal/arrière-plan pour améliorer la sensibilité aux modèles qui produisent encore moins d'énergie dans le détecteur. Une découverte dans ces recherches pourrait faire la lumière sur la nature de la matière noire et aider à résoudre le « problème de hiérarchie, " une lacune théorique fondamentale du modèle standard conduisant à une masse de boson de Higgs prédite d'environ 16 ordres de grandeur trop grande.
