La matière visible, du pollen aux étoiles et aux galaxies, représente environ 15 % de la masse totale de l'univers. Les 85 % restants sont constitués de quelque chose d'entièrement différent des choses que nous pouvons toucher et voir :la matière noire. Malgré les preuves accablantes de l'observation des effets gravitationnels, la nature de la matière noire et sa composition restent inconnues.

Comment les physiciens peuvent-ils étudier la matière noire au-delà des effets gravitationnels si elle est pratiquement invisible ? Les chercheurs poursuivent trois approches :

• détection indirecte avec des observatoires astronomiques recherchant les produits de désintégration de l'annihilation de la matière noire dans les centres galactiques
• détection directe avec des expériences très sensibles à faible bruit de fond à la recherche de la matière noire diffusée par les noyaux
• créant de la matière noire dans l'environnement de laboratoire contrôlé du Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN.

Bien qu'ayant réussi à décrire les particules élémentaires et leurs interactions à basse énergie, le modèle standard de la physique des particules n'inclut pas de particule de matière noire viable. Les seuls candidats possibles, neutrinos, n'ont pas les bonnes propriétés pour expliquer la matière noire observée. Pour remédier à ce problème, une simple extension théorique du modèle standard postule que les particules existantes, comme le boson de Higgs, agir comme un "portail" entre les particules connues et les particules de matière noire. Puisque le boson de Higgs se couple à la masse, des particules massives de matière noire devraient interagir avec elle. Le boson de Higgs a encore de grandes incertitudes liées à la force de son interaction avec les particules du modèle standard; jusqu'à 30% des désintégrations du boson de Higgs peuvent être potentiellement invisibles, selon les dernières mesures combinées du boson de Higgs d'ATLAS.

Certains bosons de Higgs pourraient-ils se désintégrer en matière noire ? Comme la matière noire n'interagit pas directement avec le détecteur ATLAS, les physiciens recherchent des signes de « particules invisibles, " déduit de la conservation de la quantité de mouvement des produits de collision proton-proton. Selon le modèle standard, la fraction des bosons de Higgs se désintégrant jusqu'à un état final invisible (quatre neutrinos !) ne représente que 0,1% et est donc négligeable. Si de tels événements devaient être observés, ce serait une indication directe d'une nouvelle physique et une preuve potentielle de la désintégration des bosons de Higgs en particules de matière noire.

Au LHC, le canal le plus sensible pour rechercher les désintégrations directes du boson de Higgs en particules invisibles est la production dite de fusion de boson vectoriel (VBF) du boson de Higgs. La production du boson de Higgs VBF se traduit par deux pulvérisations de particules (appelées "jets") qui pointent dans une direction plus avancée dans le détecteur ATLAS. Cette, combiné avec une grande quantité de mouvement manquant dans la direction perpendiculaire ("transversale") à l'axe du faisceau des particules de matière noire invisibles, crée une signature unique que les physiciens d'ATLAS peuvent rechercher.

La collaboration ATLAS a étudié l'ensemble de données LHC Run 2, collectés par le détecteur en 2015-2018, pour rechercher les désintégrations du boson de Higgs en particules de matière noire dans les événements VBF. Aucun excès significatif d'événements par rapport au bruit de fond attendu des processus connus du modèle standard n'a été trouvé dans l'analyse. dérivé d'ATLAS, à un niveau de confiance de 95%, une exclusion liée de la désintégration du boson de Higgs aux particules invisibles de 13%. Cette analyse comprenait environ 75 % de données en plus que la recherche ATLAS précédente, et l'équipe a mis en œuvre plusieurs améliorations, notamment :

• Algorithmes de filtrage plus rapides pour générer plus de collisions simulées avec une puissance de calcul équivalente. L'absence d'événements simulés était la principale incertitude dans la première version à 13 TeV de cette analyse.
• Sélection de collision optimisée pour accepter environ 50 % d'événements de boson de Higgs en plus sur le même ensemble de données.
• Catégorisation des événements raffinée pour obtenir un rapport signal/arrière-plan plus élevé dans les régions de recherche. Cela peut être vu sur la figure 1 que la courbe rouge dans le panneau inférieur augmente avec une masse invariante plus élevée des deux principaux jets (m jj ).
• Meilleure acceptation des collisions enrichie en processus d'arrière-plan, permettant aux analystes d'améliorer la modélisation du processus d'arrière-plan.

Cette exclusion observée est cohérente avec l'absence de signes de décomposition du boson de Higgs en matière noire. Les nouveaux résultats font avancer la recherche de particules massives à interaction faible (WIMP), un candidat populaire pour la matière noire. ATLAS a fixé des limites d'exclusion supplémentaires pour les masses inférieures de WIMP, qui sont comparées à d'autres expériences de détection directe de la figure 2. Ces limites sont compétitives avec les meilleures expériences de détection directe pour les masses WIMP jusqu'à la moitié de la masse du boson de Higgs, en supposant que le boson de Higgs interagit directement avec la matière noire.

Cette nouvelle analyse place les limites existantes les plus fortes sur la désintégration du boson de Higgs en particules invisibles à ce jour. Au fur et à mesure de la recherche, les physiciens continueront d'augmenter la sensibilité à cette sonde fondamentale de la matière noire.