Contexte général

Environ 85% du contenu en masse de l’univers est sous une forme encore inconnue, appelée matière noire. La recherche de particules candidates à la matière noire, qui pourraient être produites dans les collisions proton-proton au LHC, est en cours avec l’expérience ATLAS. Ces recherches se sont à présent concentrées principalement sur les particules supersymétriques dont la cascade de désintégration contient des neutralinos et sur la production directe de matière noire dans des modèles dits simplifiés de type mono-X (où X=jet, photon, boson W/Z/H – voir la Figure 1).

Le groupe du LPSC s’est principalement concentré sur la recherche de supersymétrie au Run-1 [1,3] et sur les modèles dits « simplifiés » [a,b,c,d,e] par la suite, notamment à travers le canal mono-photon [2,4,5] et la combinaison des différents canaux [6] (voir la Figure 1).

 

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Figure 1 : En haut : production d’une paire de particules de matière noire à travers un médiateur Z’, accompagné d’un objet X issu de la radiation initiale (gauche) ou production d’une résonance de fermions à travers ce même médiateur (droite). En bas : complémentarité des différents types de recherche de matière noire dans le plan de la masse du médiateur versus la masse de la matière noire, dépendant des couplages du médiateur aux quarks (gq), leptons (gl), et particules de matière noire (gchi).

Avec le Run-3 qui démarrera en 2021, il sera possible de repousser les limites dans ces types de recherche [f], mais le champ de découverte au-delà des limites déjà placées sera restreint. Il est donc important d’également couvrir des scénarios moins bien explorés qui demandent une très bonne maîtrise des objets dans le détecteur, maîtrise qui s’appuie sur des années de bon fonctionnement. Un scénario envisagé est l’existence d’un secteur ‘caché’ ou ‘sombre’ (contenant un candidat à la matière noire) se manifestant dans le détecteur par des jets aux caractéristiques inhabituelles, tant au niveau des traces associées dans le détecteur interne qu’au développement de la gerbe dans les calorimètres suite à la désintégration des particules du secteur sombre qui peuvent avoir de longs temps de vie. C’est sur ce sujet que le groupe travaille désormais.

Perspectives à horizon 2-3 ans

Le travail dans les années à venir portera donc sur la recherche de signatures de jets provenant du secteur sombre avec le détecteur ATLAS, dans le cadre de la recherche de candidats à la matière noire. Le travail portera en premier lieu sur la recherche de telles particules avec l’ensemble des données du Run-2.

Si aucun signe de nouvelle physique n’est trouvé, le travail portera ensuite sur l’identification des zones de paramètres moins bien couvertes afin de préparer les recherches pour le Run-3. Cela inclura nécessairement du travail de performance sur les signatures de jets particuliers (détection de vertex déplacés dans le détecteur interne associés à des dépôts d’énergie potentiellement atypiques dans les calorimètres, possibilités de nouveaux triggers…) incluant une utilisation des toutes premières données du run-3.

Équipe

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Bibliographie

Publications ATLAS (recherche dans le cadre de modèles simplifiés ou de la supersymétrie):

  • [1] ATLAS Collaboration, Further search for supersymmetry at sqrt(s) = 7 TeV in final states with jets, missing transverse momentum and isolated leptons with the ATLAS detector, PRD 86 (2012) 092002, arXiv:1208.4688
  • [2] ATLAS Collaboration, Search for new phenomena in events with a photon and missing transverse momentum in pp collisions at sqrt(s)=8TeV with the ATLAS detector,  Phys. Rev. D 91, 012008 (2015), arXiv:1411.1559
  • [3] ATLAS Collaboration, Search for squarks and gluinos in events with isolated leptons, jets and missing transverse momentum at sqrt(s)=8 TeV with the ATLAS detector, JHEP04(2015)116, arXiv:1501.03555.
  • [4] ATLAS Collaboration, Search for new phenomena in events with a photon and missing transverse momentum in pp collisions at sqrt(s)=13 TeV with the ATLAS detector, JHEP 1606 (2016) 059, arXiv:1604.01306.
  • [5] ATLAS Collaboration, Search for dark matter at √s=13 TeV in final states containing an energetic photon and large missing transverse momentum with the ATLAS detector, Eur. Phys. J. C 77 (2017) 393,  arXiv:1704.03848.
  • [6] ATLAS Collaboration, Constraints on mediator-based dark matter and scalar dark energy models using $\sqrt{s} = 13$ TeV $pp$ collision data collected by the ATLAS detector, arXiv:1903.01400, soumis à JHEP.

Autres publications reliées à la recherche de matière noire au LHC:

  • [a] J. Abdallah et el. (incl. M-H. Genest), Simplified Models for Dark Matter Searches at the LHC, Phys. Dark Univ. 9-10 (2015) 8-23, arXiv:1506.03116.
  • [b] D. Abercrombie et al. (incl. M-H. Genest & M. Wu), Dark Matter Benchmark Models for Early LHC Run-2 Searches: Report of the ATLAS/CMS Dark Matter Forum, arXiv:1507.00966.
  • [c] A. Boveia et al. (incl. M-H. Genest), Recommendations on presenting LHC searches for missing transverse energy signals using simplified s-channel models of dark matter, arXiv:1603.04156.
  • [d] A. Albert et al. (incl. M-H. Genest), Recommendations of the LHC Dark Matter Working Group: Comparing LHC searches for heavy mediators of dark matter production in visible and invisible decay channels, arXiv:1703.05703.
  • [e] T. Abe et al (incl. M-H. Genest), LHC Dark Matter Working Group: Next-generation spin-0 dark matter models, arXiv:1810.09420
  • [f] X. Cid Vidal et al., Beyond the Standard Model Physics at the HL-LHC and HE-LHC, https://arxiv.org/abs/1812.07831.

Matériel additionnel

  • Cours sur la recherche de matière noire au LHC (en anglais) : Searching for Dark Matter at the LHC, donné par M-H Genest lors du Graduate School "Mass, Spectrum, Symmetry" GRK1504/02, Rathen, Allemagne, 13-16 mars 2017.