IN2P3 (CNRS), Université Grenoble Alpes

Recherche de candidats de matière noire

 

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 a démarré en 2022, 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 déjà débuté et qui continuera dans les années à venir porte 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 porte en premier lieu sur la recherche de telles particules avec l’ensemble des données du Run-2 [7] et sur la définition de benchmarks à travers l'exercice Snowmass2021 [8,9].

Le travail porte maintenant sur l’identification des zones de paramètres moins bien couvertes et les recherches avec le Run-3. Cela inclue nécessairement du travail de performance sur les signatures de jets particuliers (performances des jets, 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.

Un projet ANR sur cette thématique a été approuvé en 2021, voir ce lien

Équipe

Équipe actuelle :

Anciens membres : Ana Paula Pereira Peixoto (postdoc 2021-2023), voir les thèses et stages

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, JHEP 05 (2019) 142, arXiv:1903.01400.
  • [7] ATLAS Collaboration, Search for Resonant Production of Dark Quarks in the Di-jet Final State with the ATLAS Detector, ATLAS-CONF-2023-047
  • [8] G. Albouy et al (M-H. Genest & S. Kulkarni editors), Theory, phenomenology, and experimental avenues for dark showers: a Snowmass 2021 report, Eur.Phys.J.C 82 (2022) 12, arXiv:2203.09503
  • [9] T. Bose et al, Report of the Topical Group on Physics Beyond the Standard Model at Energy Frontier for Snowmass 2021, https://arxiv.org/abs/2209.13128

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, Phys. Dark Univ. 26 (2019) 100371, 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, Phys.Dark Univ. (2019) 100365, 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, Phys.Dark Univ. 26 (2019) 100377, arXiv:1703.05703.
  • [e] T. Abe et al (incl. M-H. Genest), LHC Dark Matter Working Group: Next-generation spin-0 dark matter models, Phys.Dark Univ. 27 (2020) 100351, arXiv:1810.09420
  • [f] X. Cid Vidal et al., Beyond the Standard Model Physics at the HL-LHC and HE-LHC, CERN Yellow Rep.Monogr. 7 (2019) 585-865, https://arxiv.org/abs/1812.07831.

Matériel additionnel