Figure 1 :Un événement monojet enregistré par l'expérience ATLAS en 2017, avec un seul jet d'impulsion transversale de 1,9 TeV reculant contre l'impulsion transversale manquante correspondante (MET). Les barres vertes et jaunes montrent les dépôts d'énergie dans les calorimètres électromagnétiques et hadroniques, respectivement. Le MET est représenté par la ligne pointillée rouge sur le côté opposé du détecteur. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
La nature de la matière noire reste l'une des grandes énigmes non résolues de la physique fondamentale. Inexpliquée par le modèle standard, la matière noire a conduit les scientifiques à sonder de nouveaux modèles physiques pour comprendre son existence. Beaucoup de ces scénarios théoriques postulent que des particules de matière noire pourraient être produites lors des intenses collisions proton-proton à haute énergie du LHC. Alors que la matière noire échapperait à l'expérience ATLAS au CERN sans être vue, il pourrait occasionnellement s'accompagner d'un jet visible de particules rayonné depuis le point d'interaction, fournissant ainsi un signal détectable.
La collaboration ATLAS s'est attachée à trouver cela, publiant une nouvelle recherche de nouveaux phénomènes dans les événements de collision avec des jets et un moment transverse manquant élevé (MET). La recherche a été conçue pour découvrir des événements qui pourraient indiquer l'existence de processus physiques qui se situent en dehors du modèle standard et, ce faisant, ouvrir une fenêtre sur le cosmos.
Pour identifier de tels événements, les physiciens ont exploité le principe de conservation de la quantité de mouvement dans le plan transversal du détecteur, c'est-à-dire perpendiculairement à la direction du faisceau - à la recherche de jets visibles reculant de quelque chose d'invisible. Comme les événements avec des jets sont courants au LHC, les physiciens ont encore affiné leurs paramètres :les événements devaient avoir au moins un jet hautement énergétique et un MET significatif, généré par le déséquilibre de quantité de mouvement des particules "invisibles". C'est ce qu'on appelle un événement monojet, dont un exemple spectaculaire peut être vu sur la figure 1, un événement 2017 présentant le monojet le plus dynamique (1,9 TeV) enregistré jusqu'à présent par ATLAS.
Une pléthore de phénomènes exotiques, non directement détectable par les expériences du collisionneur, pourrait également avoir donné cette signature monojet caractéristique. Les physiciens d'ATLAS ont donc entrepris d'inclure dans leur étude plusieurs nouveaux modèles de physique, y compris ceux présentant une supersymétrie, énergie noire, de grandes dimensions spatiales supplémentaires, ou des particules de type axion.
Figure 2 :Distribution de la quantité de mouvement transverse manquante après la sélection du monojet dans les données et dans les prédictions du modèle standard. Les différents processus d'arrière-plan sont représentés par des couleurs. Les distributions attendues de l'énergie noire, Les scénarios de particules massives supersymétriques et interagissant faiblement sont illustrés par des lignes pointillées. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
La preuve de nouveaux phénomènes serait observée dans un excès d'événements de collision avec une grande MET par rapport aux attentes du modèle standard. Prédire avec précision les différentes contributions de fond était un défi majeur, car plusieurs processus abondants du modèle standard pourraient imiter exactement la topologie du signal, comme la production d'un jet plus un boson Z, qui se désintègre ensuite en deux neutrinos qui quittent également ATLAS sans être directement détectés.
Les physiciens ont utilisé une combinaison de techniques basées sur les données et de calculs théoriques de haute précision pour estimer le fond du modèle standard. L'incertitude de fond totale dans la région du signal varie d'environ 1 % à 4 % dans la gamme de MET entre 200 GeV et 1,2 TeV. La forme du spectre MET a été utilisée pour améliorer le pouvoir de discrimination entre les signaux et les arrière-plans, augmentant ainsi le potentiel de découverte. La figure 2 montre une comparaison du spectre MET observé dans l'ensemble de données collectées à partir de l'expérience ATLAS au cours de l'exécution 2 (2015-2018), et l'attente du modèle standard.
Comme aucun excès significatif n'a été observé, les physiciens ont utilisé le niveau de concordance entre les données et la prédiction pour fixer des limites aux paramètres des nouveaux modèles de physique. Dans le contexte des particules massives à interaction faible (un candidat populaire à la matière noire), Les physiciens d'ATLAS ont pu exclure des masses de particules de matière noire jusqu'à environ 500 GeV et des médiateurs vecteurs axiaux d'interaction jusqu'à 2 TeV, les deux au niveau de confiance de 95 %. Ces résultats fournissent les limites de matière noire les plus strictes dans les expériences de collisionneur à ce jour, et une étape importante du programme de recherche ATLAS.
