Figure 1 :Données mesurées comparées à la prédiction du Modèle Standard (ligne rouge continue), et du modèle standard plus une variété de nouveaux phénomènes invisibles proches de la limite de sensibilité d'ATLAS (lignes en pointillés/pointillés). Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Alors que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) brise des protons à une énergie du centre de masse de 13 TeV, il crée un riche assortiment de particules qui sont identifiées par la signature de leurs interactions avec le détecteur ATLAS. Mais que se passe-t-il si le collisionneur produit des particules qui traversent ATLAS sans interagir ? Ces "particules invisibles" peuvent fournir les réponses à certains des plus grands mystères de la physique.
Un exemple est la matière noire, qui semble représenter 85 pour cent de la masse de l'univers, mais n'a pas encore été identifié de manière concluante. Les scientifiques déduisent son existence grâce à des observations astrophysiques, y compris la formation des galaxies et la lentille gravitationnelle. Cependant, ils en savent plus sur ce que ce n'est pas que sur ce que c'est. Il n'y a pas de théorie unique de la matière noire; différentes prédictions ont des implications différentes pour ses propriétés et la façon dont il interagit.
Les particules invisibles produites lors des collisions du LHC emportent de l'énergie, résultant en un déséquilibre apparent dans l'énergie/moment des particules visibles observées. Les théories prédisent que si les particules invisibles existent, plus d'événements avec un grand déséquilibre et d'autres modèles distinctifs de particules visibles pourraient être détectés par l'expérience ATLAS. Comparer le nombre d'événements de ce type prédit par la théorie au nombre d'événements observés dans le détecteur est un moyen de rechercher indirectement des particules invisibles.
Bien qu'il s'agisse d'une approche efficace, il y a des limites. Et si les modèles théoriques de la matière noire étaient faux ? Et si un phénomène totalement différent était la cause des particules invisibles ? Actuellement, lorsque les modèles théoriques se révèlent incorrects, il peut être difficile et long de réutiliser les données pour tester de nouveaux modèles. Pour ce faire, il faut comprendre comment ces particules ont été enregistrées dans les détecteurs, comment les événements ont été sélectionnés, et comment les processus du modèle standard qui imitent ces modèles de particules ont été modélisés.
Figure 2 :Région de matière noire et masses de particules médiatrices réellement exclues (jusqu'à la ligne violette continue) et censées être exclues (jusqu'à la ligne continue verte) avec cette mesure. Les lignes grises en pointillés montrent les résultats précédents d'une recherche dédiée comparable. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Les physiciens d'ATLAS ont développé une nouvelle approche basée sur la mesure, qui est conçu pour être indépendant du détecteur et permet une réinterprétation facile des données à l'avenir. Dans cette approche, une quantité R Mademoiselle est défini, qui est sensible au taux de production et aux propriétés de toute(s) particule(s) invisible(s). Cette quantité est mesurée en fonction de diverses propriétés des événements de collision, y compris la quantité de déséquilibre de quantité de mouvement et l'énergie/la quantité de mouvement des particules visibles. La valeur de cette quantité ainsi que les changements dans ces propriétés mesurées s'avèrent fournir une sensibilité aux particules invisibles. Les désintégrations connues des bosons Z produits dans les collisions du LHC en neutrinos invisibles signifient que cette quantité est non nulle, même en l'absence d'un nouveau phénomène invisible. Cette quantité est soigneusement corrigée pour les inefficacités du détecteur, laissant une mesure exempte de biais expérimental et indépendante de toute nouvelle hypothèse de physique (Figure 1). Tout physicien peut alors facilement comparer les prédictions de son modèle à cette mesure.
Pour démontrer la nouvelle approche, la mesure est utilisée pour tester trois modèles théoriques distinctement différents de la matière noire, où il est produit soit (1) via la force forte, (2) à travers les désintégrations des bosons de Higgs, ou (3) via la force électrofaible. Aucune preuve de matière noire n'est observée et ATLAS est donc en mesure d'imposer des contraintes strictes à ces théories (Figure 2). Les contraintes sont compétitives avec les approches existantes qui visent à tester ces théories spécifiques et complémentaires aux mesures issues des expériences de détection indirecte spatiales.
