Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est réputé pour la chasse et la découverte du boson de Higgs, mais au cours des 10 années écoulées depuis que la machine a heurté des protons à une énergie supérieure à celle obtenue auparavant dans un accélérateur de particules, les chercheurs l'ont utilisé pour essayer de traquer une particule tout aussi excitante :la particule hypothétique qui pourrait constituer une forme invisible de matière appelée matière noire, qui est cinq fois plus répandue que la matière ordinaire et sans laquelle il n'y aurait pas d'univers tel que nous le connaissons. Les recherches de matière noire du LHC se sont jusqu'à présent déroulées les mains vides, tout comme les recherches sans collisionneur, mais le travail et les compétences incroyables déployés par les chercheurs du LHC pour la trouver les ont amenés à affiner de nombreuses régions où la particule peut être cachée – des jalons nécessaires sur la voie d'une découverte.

"Avant le LHC, l'espace des possibles pour la matière noire était beaucoup plus large qu'il ne l'est aujourd'hui, ", déclare le théoricien de la matière noire Tim Tait de l'UC Irvine et co-organisateur de la théorie du groupe de travail sur la matière noire du LHC.

« Le LHC a vraiment innové dans la recherche de matière noire sous forme de particules massives à interaction faible, en couvrant un large éventail de signaux potentiels prédits soit par la production de matière noire, ou la production des particules médiatrices de ses interactions avec la matière ordinaire. Tous les résultats observés sont cohérents avec des modèles qui n'incluent pas la matière noire, et nous donne des informations importantes sur les types de particules qui ne peuvent plus l'expliquer. Les résultats ont tous deux orienté les expérimentateurs dans de nouvelles directions pour rechercher la matière noire, et a incité les théoriciens à repenser les idées existantes sur ce que pourrait être la matière noire et, dans certains cas, à en proposer de nouvelles. »

Fais-le, le casser et le secouer

Pour chercher la matière noire, les expériences essentiellement "le font, cassez-le ou secouez-le." Le LHC a essayé de le faire en faisant entrer en collision des faisceaux de protons. Certaines expériences utilisent des télescopes dans l'espace et au sol pour rechercher des signaux indirects de particules de matière noire lorsqu'elles entrent en collision et se brisent dans D'autres encore poursuivent directement ces particules insaisissables en cherchant les coups de pied, ou "secoue, " ils donnent aux noyaux atomiques dans les détecteurs souterrains.

L'approche make-it est complémentaire des expériences break-it et shake-it, et si le LHC détecte une particule potentielle de matière noire, il faudra la confirmation des autres expériences pour prouver qu'il s'agit bien d'une particule de matière noire. Par contre, si les expériences directes et indirectes détectent un signal provenant d'une interaction de particules de matière noire, des expériences au LHC pourraient être conçues pour étudier les détails d'une telle interaction.

Signal d'impulsion manquante et chasse aux bosses

Alors, comment le LHC a-t-il recherché des signes de production de matière noire dans les collisions de protons ? La signature principale de la présence d'une particule de matière noire dans de telles collisions est ce qu'on appelle l'impulsion transversale manquante. Pour rechercher cette signature, les chercheurs additionnent les impulsions des particules que les détecteurs du LHC peuvent voir, plus précisément les impulsions perpendiculaires aux faisceaux de protons en collision, et identifient toute impulsion manquante nécessaire pour atteindre l'impulsion totale avant la collision. La quantité de mouvement totale doit être nulle car les protons se déplacent dans la direction des faisceaux avant qu'ils n'entrent en collision. Mais si la quantité de mouvement totale après la collision n'est pas nulle, l'impulsion manquante nécessaire pour la rendre nulle aurait pu être emportée par une particule de matière noire non détectée.

L'impulsion manquante est à la base de deux principaux types de recherche au LHC. Un type est guidé par ce qu'on appelle de nouveaux modèles physiques complets, tels que les modèles de supersymétrie (SUSY). Dans les modèles SUSY, les particules connues décrites par le modèle standard de la physique des particules ont une particule partenaire supersymétrique avec une propriété quantique appelée spin qui diffère de celle de son homologue d'une demi-unité. En outre, dans de nombreux modèles SUSY, la particule supersymétrique la plus légère est une particule massive à interaction faible (WIMP). Les WIMPs sont l'un des candidats les plus captivants pour une particule de matière noire, car ils pourraient générer l'abondance actuelle de matière noire dans le cosmos. Les recherches ciblant les SUSY WIMPs recherchent l'élan manquant d'une paire de particules de matière noire plus un spray, ou "jet, " de particules et/ou de particules appelées leptons.

Un autre type de recherche impliquant la signature de l'impulsion manquante est guidé par des modèles simplifiés qui incluent une particule de matière noire de type WIMP et une particule médiatrice qui interagirait avec les particules ordinaires connues. Le médiateur peut être soit une particule connue, comme le boson Z ou le boson de Higgs, ou une particule inconnue. Ces modèles ont gagné en popularité ces dernières années parce qu'ils sont très simples mais de nature générale (les modèles complets sont spécifiques et donc de portée plus étroite) et ils peuvent être utilisés comme points de référence pour les comparaisons entre les résultats du LHC et ceux de l'obscurité sans collisionneur. expériences de matière. En plus de manquer de quantité de mouvement d'une paire de particules de matière noire, ce deuxième type de recherche recherche au moins un objet hautement énergétique tel qu'un jet de particules ou un photon.

Dans le cadre de modèles simplifiés, il existe une alternative aux recherches à impulsion manquante, qui consiste à rechercher non pas la particule de matière noire mais la particule médiatrice à travers sa transformation, ou "pourriture, " en particules ordinaires. Cette approche recherche une bosse sur un arrière-plan lisse d'événements dans les données de collision, comme une bosse dans la distribution de masse des événements avec deux jets ou deux leptons.

Réduire le territoire WIMP

Quels résultats les expériences LHC ont-elles obtenus à partir de ces recherches WIMP ? La réponse courte est qu'ils n'ont pas encore trouvé de signes de matière noire WIMP. La réponse plus longue est qu'ils ont exclu de grandes parties du territoire théorique WIMP et ont mis de fortes limites sur les valeurs autorisées des propriétés à la fois de la particule de matière noire et de la particule médiatrice, telles que leurs masses et leurs forces d'interaction avec d'autres particules. Résumant les résultats des expériences LHC, Caterina Doglioni, membre de la collaboration avec l'expérience ATLAS, déclare :« Nous avons effectué un grand nombre de recherches dédiées sur les particules invisibles et les particules visibles qui se produiraient dans les processus impliquant la matière noire, et nous avons interprété les résultats de ces recherches en termes de nombreux scénarios de matière noire WIMP différents, des modèles simplifiés aux modèles SUSY. Ce travail a bénéficié de la collaboration entre expérimentateurs et théoriciens, par exemple sur des plateformes de discussion telles que le LHC Dark Matter Working Group (LHC DM WG), qui comprend des théoriciens et des représentants de l'ATLAS, Collaborations CMS et LHCb. Placer les résultats du LHC dans le contexte de la recherche mondiale WIMP qui comprend des expériences de détection directe et indirecte a également été au centre des discussions au sein de la communauté de la matière noire, et la discussion se poursuit à ce jour sur la meilleure façon d'exploiter les synergies entre différentes expériences qui ont le même objectif scientifique de trouver la matière noire."

Donner un exemple précis d'un résultat obtenu avec les données de l'expérience ATLAS, Priscilla Pani, Co-organisateur de l'expérience ATLAS du LHC Dark Matter WG, met en évidence la façon dont la collaboration a récemment effectué des recherches dans l'ensemble des données LHC du deuxième cycle de la machine (Run 2), collectés entre 2015 et 2018, pour rechercher des cas dans lesquels le boson de Higgs pourrait se désintégrer en particules de matière noire. « Nous n'avons trouvé aucun exemple de cette décomposition, mais nous avons pu définir les limites les plus strictes à ce jour sur la probabilité qu'elle se produise, " dit Pani.

Phil Harris, Co-organisateur de l'expérience CMS du groupe de travail sur la matière noire du LHC, met en évidence les recherches d'un médiateur de matière noire se désintégrant en deux jets, comme une recherche CMS récente basée sur les données Run 2.

"Ces recherches dites dijet sont très puissantes car elles peuvent sonder une large gamme de masses de médiateurs et de forces d'interaction, " dit Harris.

Xabier Cid Vidal, Co-organisateur de l'expérience LHCb du LHC Dark Matter WG, note à son tour comment les données des essais 1 et 2 sur la désintégration d'une particule connue sous le nom de méson Bs ont permis à la collaboration LHCb d'imposer des limites strictes aux modèles SUSY qui incluent les WIMPs. "La désintégration du méson Bs en deux muons est très sensible aux particules SUSY, tels que SUSY WIMPs, parce que la fréquence à laquelle la désintégration se produit peut être très différente de celle prédite par le modèle standard si les particules SUSY, même si leurs masses sont trop élevées pour être détectées directement au LHC, interférer avec la décomposition, " dit Cid Vidal.

Jeter un filet plus large

"Il y a dix ans, les expériences (au LHC et au-delà) recherchaient des particules de matière noire avec des masses supérieures à la masse du proton (1 GeV) et inférieures à quelques TeV. C'est-à-dire, ils ciblaient les WIMPs classiques tels que ceux prédits par SUSY. Avance rapide de 10 ans et les expériences sur la matière noire recherchent maintenant des particules de type WIMP avec des masses aussi faibles qu'environ 1 MeV et aussi élevées que 100 TeV, " dit Tait. " Et les résultats nuls des recherches, comme au LHC, ont inspiré de nombreuses autres explications possibles de la nature de la matière noire, de la matière noire floue constituée de particules avec des masses aussi faibles que 10-22 eV aux trous noirs primordiaux avec des masses équivalentes à plusieurs soleils. À la lumière de cela, la communauté de la matière noire a commencé à jeter un filet plus large pour explorer un plus grand paysage de possibilités. »

Sur le front du collisionneur, les chercheurs du LHC ont commencé à étudier certaines de ces nouvelles possibilités. Par exemple, ils ont commencé à examiner l'hypothèse selon laquelle la matière noire fait partie d'un secteur sombre plus vaste avec plusieurs nouveaux types de particules sombres. Ces particules du secteur sombre pourraient inclure un équivalent de matière noire du photon, le photon noir, qui interagirait avec les autres particules du secteur noir ainsi qu'avec les particules connues, et les particules à vie longue, qui sont également prédites par les modèles SUSY.

« Les scénarios du secteur sombre fournissent un nouvel ensemble de signatures expérimentales, et c'est un nouveau terrain de jeu pour les physiciens du LHC, " dit Doglioni.

« Nous développons maintenant les méthodes expérimentales que nous connaissons, nous pouvons donc essayer de capter des signaux rares et inhabituels enfouis dans de grands fonds. De plus, de nombreuses autres expériences en cours et prévues ciblent également les secteurs sombres et les particules interagissant plus faiblement que les WIMPs. Certaines de ces expériences, comme l'expérience FASER nouvellement approuvée, partagent des connaissances, technologique et même complexe d'accélérateurs avec les principales expériences LHC, et ils compléteront la portée des recherches du LHC sur la matière noire non WIMP, comme le montre l'initiative du CERN Physics Beyond Colliders."

Finalement, les chercheurs du LHC travaillent toujours sur les données du Run 2, et les données recueillies jusqu'à présent, de Run 1 et Run 2, n'est que d'environ 5% du total que les expériences enregistreront. Compte tenu de cela, ainsi que les immenses connaissances acquises grâce aux nombreuses analyses du LHC menées jusqu'à présent, il y a peut-être une chance que le LHC découvre une particule de matière noire dans les 10 prochaines années. "C'est le fait que nous ne l'ayons pas encore trouvé et la possibilité que nous puissions le trouver dans un avenir pas si lointain qui me passionne pour mon travail, " dit Harris. " Les 10 dernières années nous ont montré que la matière noire pourrait être différente de ce que nous avions initialement pensé, mais cela ne veut pas dire qu'il n'est pas là pour nous de trouver, " dit Cid Vidal.

"Nous ne laisserons aucune pierre non retournée, peu importe qu'ils soient grands ou petits et combien de temps cela nous prendra, " dit Pani.