I quark sono le particelle più piccole che conosciamo. Infatti, secondo il Modello Standard della fisica delle particelle, che descrive tutte le particelle conosciute e le loro interazioni, i quark dovrebbero essere infinitamente piccoli. Se questo non è abbastanza sbalorditivo, inserire quark oscuri - particelle ipotetiche che sono state proposte per spiegare la materia oscura, una forma invisibile di materia che riempie l'universo e tiene insieme la Via Lattea e altre galassie.

In un recente studio, la collaborazione CMS descrive come ha setacciato i dati del Large Hadron Collider (LHC) per cercare di individuare i quark oscuri. Anche se la ricerca è arrivata a mani vuote, ha permesso al team di avvicinarsi di un centimetro alle particelle madri da cui possono provenire i quark oscuri.

Una teoria convincente estende il Modello Standard per spiegare perché le densità di massa osservate della materia normale e della materia oscura sono simili. Lo fa invocando l'esistenza di quark oscuri che interagiscono con i quark ordinari tramite una particella mediatrice. Se tali particelle mediatrici fossero prodotte in coppia in una collisione protone-protone, ogni particella mediatrice della coppia si trasformerebbe in un quark normale e in un quark scuro, entrambi i quali produrrebbero uno spray, o "getto", di particelle chiamate adroni, composto da quark o quark scuri. In totale, ci sarebbero due getti di adroni regolari originati dal punto di collisione, e due getti "emergenti" che emergerebbero a una certa distanza dal punto di collisione perché gli adroni oscuri impiegherebbero del tempo a decadere in particelle visibili.

Nel loro studio, i ricercatori CMS hanno esaminato i dati delle collisioni protone-protone raccolti all'LHC a un'energia di 13 TeV per cercare le istanze, o "eventi", in cui potrebbero verificarsi tali particelle mediatrici e getti emergenti associati. Hanno usato due caratteristiche distintive per identificare i jet emergenti e sceglierli da uno sfondo di eventi che dovrebbero imitare i loro tratti.

Il team non ha trovato prove evidenti dell'esistenza di tali jet emergenti, ma i dati hanno permesso loro di escludere masse per l'ipotetica particella mediatrice di 400-1250 GeV per pioni oscuri che viaggiano per lunghezze comprese tra 5 e 225 mm prima di decadere. I risultati sono i primi di una ricerca dedicata a tali particelle e getti mediatori.