La materia visibile, dal polline alle stelle e alle galassie, rappresenta circa il 15% della massa totale dell'universo. Il restante 85% è composto da qualcosa di completamente diverso dalle cose che possiamo toccare e vedere:la materia oscura. Nonostante le prove schiaccianti dall'osservazione degli effetti gravitazionali, la natura della materia oscura e la sua composizione rimangono sconosciute.

Come possono i fisici studiare la materia oscura al di là degli effetti gravitazionali se è praticamente invisibile? I ricercatori stanno perseguendo tre approcci:

• rivelazione indiretta con osservatori astronomici alla ricerca dei prodotti di decadimento dell'annientamento della materia oscura nei centri galattici
• rilevamento diretto con esperimenti a basso fondo altamente sensibili alla ricerca di materia oscura che disperde i nuclei
• creando materia oscura nell'ambiente di laboratorio controllato del Large Hadron Collider (LHC) al CERN.

Sebbene sia riuscito a descrivere le particelle elementari e le loro interazioni a basse energie, il Modello Standard della fisica delle particelle non include una particella di materia oscura praticabile. Gli unici candidati possibili, neutrini, non hanno le proprietà giuste per spiegare la materia oscura osservata. Per rimediare a questo problema, una semplice estensione teorica del Modello Standard postula che le particelle esistenti, come il bosone di Higgs, fungono da "portale" tra le particelle note e le particelle di materia oscura. Poiché il bosone di Higgs si accoppia alla massa, particelle massicce di materia oscura dovrebbero interagire con esso. Il bosone di Higgs ha ancora grandi incertezze associate alla forza della sua interazione con le particelle del Modello Standard; fino al 30% dei decadimenti del bosone di Higgs può essere potenzialmente invisibile, secondo le ultime misurazioni combinate del bosone di Higgs di ATLAS.

Potrebbero alcuni dei bosoni di Higgs decadere in materia oscura? Poiché la materia oscura non interagisce direttamente con il rivelatore ATLAS, i fisici cercano segni di "particelle invisibili, " dedotto attraverso la conservazione della quantità di moto dei prodotti di collisione protone-protone. Secondo il Modello Standard, la frazione di bosoni di Higgs che decade a uno stato finale invisibile (quattro neutrini!) rappresenta solo lo 0,1% ed è quindi trascurabile. Qualora si verificassero tali eventi, sarebbe un'indicazione diretta della nuova fisica e della potenziale prova del decadimento dei bosoni di Higgs in particelle di materia oscura.

All'LHC, il canale più sensibile per la ricerca di decadimenti diretti del bosone di Higgs in particelle invisibili è attraverso la cosiddetta produzione di fusione di bosoni vettoriali (VBF) del bosone di Higgs. La produzione del bosone di Higgs VBF si traduce in due spruzzi di particelle (chiamati "getti") che puntano in una direzione più avanti nel rivelatore ATLAS. Questo, combinato con un grande momento mancante in direzione perpendicolare ("trasversale") all'asse del raggio dalle particelle invisibili di materia oscura, crea una firma unica che i fisici di ATLAS possono cercare.

La collaborazione ATLAS ha studiato l'intero set di dati LHC Run 2, raccolti dal rivelatore nel 2015-2018, per cercare i decadimenti del bosone di Higgs in particelle di materia oscura negli eventi VBF. Nell'analisi non è stato riscontrato alcun eccesso significativo di eventi rispetto allo sfondo previsto dai processi noti del Modello standard. derivato da ATLAS, a un livello di confidenza del 95%, un limite di esclusione del decadimento del bosone di Higgs a particelle invisibili del 13%. Questa analisi includeva circa il 75% in più di dati rispetto alla precedente ricerca ATLAS, e il team ha implementato diversi miglioramenti tra cui:

• Algoritmi di filtraggio più veloci per generare più collisioni simulate con potenza di calcolo equivalente. La mancanza di eventi simulati è stata la principale incertezza nella prima versione da 13 TeV di questa analisi.
• Selezione delle collisioni ottimizzata per accettare circa il 50% in più di eventi bosone di Higgs sullo stesso set di dati.
• Classificazione degli eventi raffinata per ottenere un rapporto segnale-sfondo più elevato nelle regioni di ricerca. Questo può essere visto in Figura 1 come la curva rossa nel pannello inferiore aumenta con una maggiore massa invariante dei due getti principali (m _jj ).
• Migliore accettazione delle collisioni arricchite nei processi in background, consentendo agli analisti di migliorare la modellazione del processo in background.

Questa esclusione osservata è coerente con l'assenza di segni di decadimento del bosone di Higgs in materia oscura. I nuovi risultati fanno avanzare la ricerca di particelle massive debolmente interagenti (WIMP), un candidato popolare per la materia oscura. ATLAS ha fissato ulteriori limiti di esclusione per le masse WIMP inferiori, che sono confrontati con altri esperimenti di rilevamento diretto nella Figura 2. Questi limiti sono competitivi con i migliori esperimenti di rilevamento diretto per masse WIMP fino alla metà della massa del bosone di Higgs, assumendo che il bosone di Higgs interagisca direttamente con la materia oscura.

Questa nuova analisi pone i limiti esistenti più forti sul bosone di Higgs che decade in particelle invisibili fino ad oggi. Mentre la ricerca va avanti, i fisici continueranno ad aumentare la sensibilità a questa fondamentale sonda della materia oscura.