Une nouvelle façon de rechercher la matière noire

“C’est la raison pour laquelle nous menons des recherches en sciences fondamentales, en sondant les mystères les plus profonds de l’univers. Le Grand collisionneur de hadrons du CERN est la plus grande expérience jamais construite, et les collisions de particules créant des conditions semblables à celles du Big Bang peuvent être exploitées pour rechercher des indices de matière noire”, explique le professeur Deepak Kar, de l’École de physique de l’Université du Witwatersrand à Johannesburg, en Afrique du Sud.

Travaillant à l’expérience ATLAS au CERN, Kar et son ancien doctorant, Sukanya Sinha (aujourd’hui chercheur postdoctoral à l’Université de Manchester), ont mis au point une nouvelle façon de rechercher la matière noire. Leurs recherches ont été publiées dans la revue, Lettres de physique B.

“Il y a eu une pléthore de recherches de matière noire dans des collisionneurs au cours des dernières décennies, qui se sont jusqu’à présent concentrées sur des particules massives à faible interaction, appelées WIMP”, explique Kar. “WIMPS est une classe de particules supposées expliquer la matière noire car elles n’absorbent ni n’émettent de lumière et n’interagissent pas fortement avec d’autres particules. Cependant, comme aucune preuve de WIMPS n’a été trouvée jusqu’à présent, nous avons réalisé que le la recherche de la matière noire nécessitait un changement de paradigme. »

“Ce que nous nous demandions, c’était si les particules de matière noire étaient réellement produites à l’intérieur d’un jet de particules modèles standard”, a déclaré Kar. Cela a conduit à l’exploration d’une nouvelle signature de détecteur connue sous le nom de jets semi-visibles, que les scientifiques n’avaient jamais étudiée auparavant.

Les collisions de protons à haute énergie aboutissent souvent à la production d’un jet collimaté de particules, collectées dans ce que l’on appelle des jets, à partir de la désintégration de quarks ou de gluons ordinaires. Des jets semi-visibles apparaîtraient lorsque d’hypothétiques quarks sombres se désintégreraient partiellement en quarks du modèle standard (particules connues) et partiellement en hadrons sombres stables (la « fraction invisible »). Puisqu’ils sont produits par paires, généralement avec des jets supplémentaires du modèle standard, le déséquilibre d’énergie ou l’énergie manquante dans le détecteur se produit lorsque tous les jets ne sont pas complètement équilibrés. La direction de l’énergie manquante est souvent alignée avec l’un des jets semi-visibles.

Cela rend la recherche de jets semi-visibles très difficile, car cette signature d’événement peut également survenir en raison de jets mal mesurés dans le détecteur. La nouvelle façon de rechercher la matière noire de Kar et Sinha ouvre de nouvelles directions dans la recherche de l’existence de la matière noire.

“Même si ma thèse de doctorat ne contient pas de découverte de la matière noire, elle fixe les premières limites supérieures, plutôt strictes, de ce mode de production et inspire déjà d’autres études”, explique Sinha.