Les quarks sont les plus petites particules que nous connaissons. En réalité, selon le modèle standard de la physique des particules, qui décrit toutes les particules connues et leurs interactions, les quarks doivent être infiniment petits. Si ce n'est pas assez ahurissant, entrer dans les quarks noirs - particules hypothétiques qui ont été proposées pour expliquer la matière noire, une forme de matière invisible qui remplit l'univers et maintient ensemble la Voie lactée et d'autres galaxies.

Dans une étude récente, la collaboration CMS décrit comment elle a passé au crible les données du Grand collisionneur de hadrons (LHC) pour essayer de repérer les quarks noirs. Bien que la recherche se soit déroulée les mains vides, cela a permis à l'équipe de se rapprocher des particules mères à partir desquelles les quarks noirs peuvent provenir.

Une théorie convaincante étend le modèle standard pour expliquer pourquoi les densités de masse observées de la matière normale et de la matière noire sont similaires. Il le fait en invoquant l'existence de quarks sombres qui interagissent avec les quarks ordinaires via une particule médiatrice. Si de telles particules médiatrices étaient produites par paires dans une collision proton-proton, chaque particule médiatrice de la paire se transformerait en un quark normal et un quark sombre, qui produiraient tous deux un spray, ou "jet", de particules appelées hadrons, composé de quarks ou de quarks noirs. Au total, il y aurait deux jets de hadrons réguliers provenant du point de collision, et deux jets « émergents » qui émergeraient à une certaine distance du point de collision, car les hadrons sombres mettraient un certain temps à se désintégrer en particules visibles.

Dans leur étude, les chercheurs de CMS ont examiné les données de collisions proton-proton collectées au LHC à une énergie de 13 TeV pour rechercher des instances, ou "événements", dans lequel de telles particules médiatrices et les jets émergents associés pourraient se produire. Ils ont utilisé deux caractéristiques distinctives pour identifier les jets émergents et les sélectionner dans un contexte d'événements censés imiter leurs caractéristiques.

L'équipe n'a trouvé aucune preuve solide de l'existence de tels jets émergents, mais les données leur ont permis d'exclure les masses de la particule médiatrice hypothétique de 400 à 1250 GeV pour les pions sombres qui se déplacent sur des longueurs comprises entre 5 et 225 mm avant de se désintégrer. Les résultats sont les premiers d'une recherche dédiée à ces particules et jets médiateurs.