Dans les années 1930, l’astronome suisse Fritz Zwicky a observé que les vitesses des galaxies de l’amas de Chevelure étaient trop élevées pour être maintenues uniquement par l’attraction gravitationnelle de la matière lumineuse. Il a proposé l’existence d’une matière non lumineuse au sein de l’amas de galaxies, qu’il a appelée matière noire. Cette découverte a marqué le début de la compréhension et de l’étude de la matière noire par l’humanité.
Aujourd’hui, les mesures les plus précises de la matière noire dans l’Univers proviennent des observations du fond diffus cosmologique. Les derniers résultats du satellite Planck indiquent qu’environ 5 % de la masse de notre Univers provient de la matière visible (principalement de la matière baryonique), environ 27 % de la matière noire et le reste de l’énergie noire.
Malgré les nombreuses observations astronomiques confirmant l’existence de la matière noire, nous disposons de connaissances limitées sur les propriétés des particules de matière noire. D’un point de vue microscopique, le modèle standard de la physique des particules, établi au milieu du XXe siècle, a rencontré un énorme succès et a été confirmé par de nombreuses expériences.
Cependant, le modèle standard ne peut pas expliquer l’existence de la matière noire dans l’univers, ce qui indique la nécessité d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard pour rendre compte des particules candidates à la matière noire, et le besoin urgent de trouver des preuves expérimentales de ces candidates.
La recherche sur la matière noire est donc non seulement un sujet d’actualité en astronomie, mais également à l’avant-garde de la recherche en physique des particules. La recherche de particules de matière noire dans les collisionneurs est l’une des trois principales approches expérimentales pour détecter l’interaction entre la matière noire et la matière ordinaire, en complément d’autres types d’expériences de détection de matière noire telles que les expériences de détection directe souterraine et les expériences de détection indirecte depuis l’espace.
Récemment, la collaboration ATLAS a recherché de la matière noire en utilisant les 139 fb-1 de données de collisions proton-proton accumulées pendant le Run 2 du LHC, dans le cadre théorique de la matière noire 2HDM+a. La recherche a utilisé une variété de processus de production de matière noire et de signatures expérimentales, y compris certaines qui ne sont pas prises en compte dans les modèles de matière noire traditionnels.
Pour améliorer encore la sensibilité de la recherche de matière noire, ce travail a combiné statistiquement les trois signatures expérimentales les plus sensibles : le processus impliquant un boson Z se désintégrant en leptons avec un grand élan transversal manquant, le processus impliquant un boson de Higgs se désintégrant en quarks inférieurs avec un grand élan transversal manquant, et le processus impliquant un boson de Higgs chargé avec des états finaux de quarks supérieurs et inférieurs.
C’est la première fois qu’ATLAS réalise une analyse statistique combinée des états finaux incluant les particules de matière noire et les états intermédiaires se désintégrant directement en particules du Modèle Standard. Cette innovation a considérablement amélioré la contrainte sur l’espace des paramètres du modèle et la sensibilité à la nouvelle physique.
« Ce travail est l’un des plus grands projets de recherche sur la nouvelle physique au LHC, impliquant près de 20 canaux d’analyse différents. La nature complémentaire des différents canaux d’analyse pour contraindre l’espace des paramètres de la nouvelle physique met en évidence les avantages uniques des expériences avec collisionneur », a déclaré Zirui Wang, chercheur postdoctoral à l’Université du Michigan.
Ces travaux ont fourni de solides contraintes expérimentales sur plusieurs nouveaux modèles de paramètres de référence dans le cadre théorique 2HDM+a, y compris certains espaces de paramètres jamais explorés par les expériences précédentes. Il s’agit du résultat expérimental le plus complet de la collaboration ATLAS pour le modèle de matière noire 2HDM+a.
Lailin Xu, professeur à l’Université des sciences et technologies de Chine, a déclaré : « 2HDM+a est l’un des principaux cadres théoriques de la nouvelle physique pour la matière noire dans le monde d’aujourd’hui. Il présente des avantages significatifs dans la prédiction des phénomènes de matière noire et la compatibilité avec les contraintes expérimentales actuelles, prédisant une grande variété de processus de production de matière noire dans les expériences du LHC.
« Ce travail a systématiquement effectué des recherches multi-processus et combiné des analyses statistiques basées sur le cadre du modèle 2HDM+a, fournissant des résultats qui excluent une grande partie de l’espace de paramètres possible pour la matière noire, offrant des indications importantes pour les futures recherches sur la matière noire. »
Vu Ngoc Khanh, chercheur postdoctoral à l’institut Tsung-Dao Lee, a déclaré : « Bien que nous n’ayons pas encore trouvé de particules de matière noire au LHC, par rapport à la période précédant l’exploitation du LHC, nous avons imposé des contraintes strictes sur l’espace des paramètres où la matière noire pourrait exister, y compris la masse des particules de matière noire et leurs forces d’interaction avec d’autres particules, ce qui réduit encore davantage le champ de recherche. »
Li Shu, membre de l’équipe Tsung Dao Lee, a ajouté : « Jusqu’à présent, les données collectées par le LHC ne représentent qu’environ 7 % du total des données que l’expérience va enregistrer. Les données que le LHC va générer au cours des 20 prochaines années représentent une formidable opportunité de découvrir la matière noire. Nos expériences passées nous ont montré que la matière noire pourrait être différente de ce que nous pensions initialement, ce qui nous incite à utiliser des méthodes et des techniques expérimentales plus innovantes dans notre recherche. »
Plus d’informations :
G. Aad et al., Combinaison et résumé des recherches de matière noire ATLAS interprétées dans un 2HDM avec un médiateur pseudo-scalaire utilisant 139 fb−1 de données de collision s=13 TeV pp, Bulletin scientifique (2024). DOI : 10.1016/j.scib.2024.06.003