Les nouvelles particules produites lors des collisions proton-proton à haute énergie du LHC ne traînent pas longtemps. Un boson de Higgs existe pendant moins d'un millième de milliardième de milliardième de seconde avant de se désintégrer en particules plus légères, qui peuvent ensuite être suivis ou arrêtés dans nos détecteurs. Rien n'exclut cependant l'existence de particules à durée de vie beaucoup plus longue, et certains scénarios théoriques prédisent que des objets aussi extraordinaires pourraient se retrouver piégés dans les détecteurs du LHC, assis là tranquillement pendant des jours.

La collaboration CMS a rapporté de nouveaux résultats dans sa recherche de particules lourdes à vie longue (LLP), qui pourraient perdre leur énergie cinétique et s'arrêter dans les détecteurs du LHC. A condition que les particules vivent plus de quelques dizaines de nanosecondes, leur décroissance serait visible pendant les périodes où aucune collision LHC n'a lieu, produisant un flux de matière ordinaire apparemment sorti de nulle part.

L'équipe CMS a recherché ces types d'événements de non-collision dans les matériaux de détection les plus denses de l'expérience, où les particules à vie longue sont les plus susceptibles d'être arrêtées, sur la base des collisions du LHC en 2015 et 2016. Malgré des données d'affouillement d'une période de plus de 700 heures, rien d'étrange n'a été repéré. Les résultats ont défini les limites de section efficace et de masse les plus strictes pour les particules à longue durée de vie à désintégration hadronique qui s'arrêtent dans le détecteur à ce jour, et les premières limites sur les particules arrêtées à vie longue produites lors de collisions proton-proton à une énergie de 13 TeV.

Le modèle standard, le cadre théorique qui décrit toutes les particules élémentaires, a été justifié en 2012 avec la découverte du boson de Higgs. Mais certains des plus grands mystères de l'univers restent inexpliqués, comme pourquoi la matière a prévalu sur l'antimatière dans l'univers primitif ou ce qu'est exactement la matière noire. Les particules à vie longue font partie des nombreuses espèces exotiques qui aideraient à résoudre ces mystères et leur découverte constituerait un signe clair de physique au-delà du modèle standard. En particulier, les désintégrations recherchées dans CMS concernaient des gluinos à vie longue apparaissant dans un modèle appelé supersymétrie "split" (SUSY) et des particules exotiques appelées "MCHAMPs".

Alors que la recherche de particules à vie longue au LHC progresse rapidement à CMS et ATLAS, la construction d'un détecteur LLP dédié a été proposée pour l'ère de haute luminosité du LHC. MATHUSLA (Massive Timing Hodoscope for Ultra Stable Neutral Particles) est prévu pour être un détecteur de surface placé à 100 mètres au-dessus d'ATLAS ou de CMS. Ce serait une énorme boîte (200 × 200 × 20 m), pour la plupart vides, à l'exception des équipements très sensibles utilisés pour détecter les LLP produits dans les collisions du LHC.

Puisque les LLP interagissent faiblement avec la matière ordinaire, ils n'auront aucun mal à voyager à travers les rochers entre l'expérience souterraine et MATHUSLA. Ce processus est similaire à la façon dont les rayons cosmiques à interaction faible traversent l'atmosphère et traversent la Terre pour atteindre nos détecteurs souterrains, seulement à l'envers. S'il est construit, l'expérience explorera de nombreux autres scénarios et nous rapprochera de la découverte d'une nouvelle physique.