La matière noire est un type inconnu de matière présente dans l'univers qui pourrait être d'origine particulaire. L'un des cadres théoriques les plus complets incluant un candidat à la matière noire est la supersymétrie. De nombreux modèles supersymétriques prédisent l'existence d'une nouvelle écurie, particule invisible appelée la particule supersymétrique la plus légère (LSP), qui a les bonnes propriétés pour être une particule de matière noire.

La collaboration ATLAS au CERN a récemment rapporté deux nouveaux résultats sur les recherches d'un LSP qui exploitait l'intégralité de l'échantillon de données Run 2 de l'expérience prélevé à une énergie de collision proton-proton de 13 TeV. Les analyses ont recherché la production par paire de deux particules lourdes supersymétriques, dont chacune se désintègre en particules observables du modèle standard et en un LSP dans le détecteur.

Identifier l'énergie manquante

Un défi central de ces recherches est que les particules candidates à la matière noire échapperaient au détecteur ATLAS sans laisser de signal visible. Leur présence ne peut être déduite que par l'ampleur de l'impulsion transversale manquante de la collision (E T ^Mademoiselle ) – un déséquilibre des impulsions des particules détectées dans le plan perpendiculaire aux protons en collision. Dans l'environnement dense de nombreuses collisions imbriquées générées par le Grand collisionneur de hadrons (LHC), il peut être difficile de séparer le véritable E T ^Mademoiselle de faux E T ^Mademoiselle provenant d'une mauvaise mesure des débris de collision visibles dans le détecteur.

Pour résoudre cette difficulté, ATLAS a développé un nouveau E T ^Mademoiselle variable de signification qui quantifie la probabilité que le E observé T ^Mademoiselle provient de particules indétectables plutôt que d'objets mal mesurés. Contrairement aux calculs précédents entièrement basés sur la cinématique d'événement reconstruite, la nouvelle variable prend également en compte la résolution et la probabilité d'erreur d'identification de chacune des particules reconstruites utilisées dans le calcul. Cela permet de distinguer plus efficacement les événements avec un E authentique et un faux T ^Mademoiselle , respectivement, comme le montre la figure 1, améliorant ainsi la capacité d'ATLAS à identifier et reconstruire partiellement les particules de matière noire.

Appliquer de nouvelles techniques de reconstruction

Les deux nouvelles recherches ATLAS implémentent cette nouvelle technique de reconstruction dans l'ensemble de données Run 2 complet. Une recherche recherche la paire production de charginos (les superpartenaires chargés de bosons) et sleptons (superpartenaires de leptons), respectivement, qui se désintègrent en deux électrons ou muons et donnent naissance à un grand E T ^Mademoiselle en raison des LSP qui s'échappent. Ces signaux sont très difficiles à extraire car ils ressemblent aux processus dibosons du modèle standard, où certains (bien que moins) E T ^Mademoiselle est produit à partir de neutrinos invisibles. Les événements ont été sélectionnés à haute E T ^Mademoiselle signification ainsi que plusieurs autres variables qui aident à discriminer le signal du bruit de fond. En l'absence d'un excès significatif dans les données par rapport à l'attente de fond, des limites fortes ont été placées sur les scénarios supersymétriques considérés, comme le montre la figure 2.

La deuxième nouvelle recherche cible la production de paires de squarks bottom supersymétriques (superpartenaires des quarks bottom), qui se désintègrent tous deux jusqu'à un état final impliquant un boson de Higgs et un LSP (plus un quark b supplémentaire). Ensuite, le ciblage du boson de Higgs se désintègre en deux quarks b, comme il est prévu qu'il se produise 58 % du temps - l'état final mesuré dans le détecteur ATLAS aurait une signature unique :grand E T ^Mademoiselle associé à jusqu'à six jets de particules hadroniques, provenant des quarks b. De nouveau, aucun excès significatif de données n'a été trouvé dans cette recherche.

Les deux résultats imposent de fortes contraintes sur les scénarios supersymétriques importants, qui guidera les futures recherches ATLAS. Plus loin, ils montrent comment de nouvelles techniques de reconstruction peuvent contribuer à améliorer la sensibilité des nouvelles recherches physiques au LHC.