Recherche de nouvelles particules dans l'étude de la matière noire

Ces dernières années, les scientifiques ont cherché de nouvelles particules qui pourraient exister au-delà de ce que l'on connaît actuellement en physique, surtout celles qui pourraient expliquer la matière noire. Ces recherches se font dans de grands collisionneurs de particules, comme celui du CERN appelé le LHC. Cet article décrit un nouvel effort pour trouver des particules légères qui se désintègrent en d'autres particules appelées Hadrons, avec une attention particulière sur les événements où ces hadrons apparaissent avec des Photons, qui sont des particules de lumière.

#Contexte

Le modèle standard de la physique des particules a été très efficace pour expliquer comment les éléments de base de la matière interagissent. Cependant, ce modèle a ses limites, surtout en ce qui concerne la matière noire, qui constitue une part importante de la masse de l'univers mais n'émet pas de lumière et est donc difficile à détecter. Certaines théories suggèrent que la matière noire pourrait interagir avec des particules connues par l'intermédiaire de nouvelles particules appelées Médiateurs.

Ces médiateurs peuvent être vus comme des messagers permettant à la matière noire d'interagir avec la matière normale. Cette recherche vise à trouver des versions de faible masse de ces particules médiatrices qui se désintègrent en hadrons. Les hadrons sont des particules composites faites de quarks, qui sont les constituants fondamentaux des protons et des neutrons.

#L'Expérience ATLAS

Le détecteur ATLAS est l'un des principaux expériences du LHC et est conçu pour étudier une large gamme de phénomènes dans des collisions de particules à haute énergie. Il a des outils sophistiqués pour détecter diverses particules produites lors de collisions à haute énergie, comme des électrons, des muons, des photons et des hadrons.

Pour mener cette recherche sur ces Résonances de faible masse-particules qui pourraient se désintégrer en hadrons-l'équipe ATLAS a utilisé des données collectées lors de collisions avec une énergie au centre de masse de 13 TeV sur plusieurs années.

#Méthodologie

Cette recherche se concentre sur des particules d'une masse comprise entre 20 et 100 GeV. La méthodologie consiste à chercher de grands Jets, qui sont des groupes de particules produits dans des collisions à haute énergie. Ces jets ont une structure spécifique qui peut indiquer la présence de nouvelles particules.

Pour déclencher le processus de détection, l'équipe a utilisé des photons produits par la radiation de l'état initial-un effet où des particules de lumière sont émises par les particules avant qu'elles ne se heurtent. Cela a déclenché les mécanismes d'enregistrement du détecteur ATLAS, permettant à l'équipe de rassembler davantage de données pertinentes tout en évitant les limitations techniques liées au stockage des données.

#Défis

Un des principaux défis dans cette recherche est le bruit de fond écrasant des processus du modèle standard. Lorsque des protons entrent en collision, ils produisent beaucoup de particules, ce qui entraîne un taux élevé d'événements qui peuvent obscurcir les signaux de nouvelles particules.

Pour surmonter cela, différentes stratégies ont été mises en place :

• Utiliser des algorithmes de reconstruction en ligne au niveau du déclencheur aide à sélectionner les événements les plus pertinents.
• L'utilisation de la radiation de l'état initial permet à l'équipe de minimiser la dépendance aux déclencheurs de jet unique, qui peuvent avoir des exigences strictes en matière de moment.

#Analyse des données

L'analyse a commencé par l'examen du spectre de masse invariant des jets de grand rayon qui réagissent avec le photon énergique. L'objectif était d'identifier des pics dans le spectre qui pourraient suggérer la présence de nouvelles résonances.

Les chercheurs ont dû tenir compte des processus de fond qui pourraient imiter les signaux de nouvelles particules. Ils ont examiné :

• Des processus non résonnants issus de la production de multijets QCD en association avec un photon.
• Des fonds résonnants provenant de la production de particules connues, comme les événements de quarks top.

#Techniques utilisées

Une technique appelée la reconstruction de jet reclusterisé assistée par traçage (TAR) a été essentielle dans cette recherche. Cette technique fusionne les informations provenant des systèmes de suivi et des calorimètres, améliorant l'identification des produits de désintégration potentiels de nouvelles particules.

Les jets produits par ces désintégrations sont ensuite analysés pour leur sous-structure. Cela fournit des informations supplémentaires sur leur origine, aidant à différencier les événements de fond et les événements venant de potentielles nouvelles particules.

#Résultats

En analysant les données, les chercheurs ont constaté que les résultats observés correspondaient aux attentes basées sur le modèle standard. Ils ont établi des limites supérieures sur la force de couplage de toutes résonances hypothétiques de spin-1 avec des quarks en utilisant un niveau de confiance de 95 %.

En termes simples, cela signifie qu'ils ont cherché des signes de nouvelles interactions mais n'ont pas trouvé de preuves significatives pour soutenir l'existence de nouvelles résonances de faible masse. Cependant, les limites établies dans cette recherche aident à affiner les paramètres de recherche pour les futures expériences.

#Contexte de la matière noire

Cette recherche était particulièrement importante car elle s'inscrit dans les modèles de matière noire, qui cherchent à expliquer comment la matière noire pourrait interagir avec des particules connues par le biais de nouvelles particules médiatrices.

Même si aucune nouvelle résonance n'a été découverte, les limites fixées par cette recherche contribuent à une meilleure compréhension du comportement et des interactions des particules légères, notamment en relation avec la matière noire.

#Conclusion

La recherche de résonances de faible masse se désintégrant en hadrons associées à la production de photons a fourni des insights précieux, même en l'absence de nouvelles découvertes. Cela met en avant les efforts continus dans le domaine de la physique des particules pour explorer et comprendre les inconnues de l'univers.

En appliquant des techniques innovantes à l'analyse des données et en se concentrant sur les fonds pertinents, les chercheurs peuvent améliorer leur compréhension des interactions des particules à des niveaux sans précédent.

Des travaux supplémentaires continueront d'explorer ce domaine et d'affiner les techniques nécessaires pour découvrir une nouvelle physique au-delà des modèles actuels.

En fin de compte, même dans l'échec de trouver de nouvelles particules, cette recherche alimente la quête de connaissance sur l'univers et ses constituants fondamentaux. Le travail mis en avant ici marque une autre étape sur ce chemin.