Il Large Hadron Collider (LHC) è rinomato per la caccia e la scoperta del bosone di Higgs, ma nei 10 anni trascorsi da quando la macchina ha fatto scontrare protoni a un'energia superiore a quella precedentemente raggiunta con un acceleratore di particelle, i ricercatori lo hanno usato per cercare di dare la caccia a una particella altrettanto eccitante:l'ipotetica particella che potrebbe costituire una forma invisibile di materia chiamata materia oscura, che è cinque volte più prevalente della materia ordinaria e senza la quale non ci sarebbe l'universo come lo conosciamo. Finora le ricerche sulla materia oscura di LHC sono arrivate a mani vuote, così come le ricerche non collisionali, ma l'incredibile lavoro e l'abilità dei ricercatori di LHC nel trovarlo li ha portati a restringere molte delle regioni in cui la particella potrebbe trovarsi nascosta, pietre miliari necessarie sul percorso verso una scoperta.

"Prima dell'LHC, lo spazio delle possibilità per la materia oscura era molto più ampio di quanto lo sia oggi, ", afferma il teorico della materia oscura Tim Tait dell'Università di Irvine e co-organizzatore della teoria dell'LHC Dark Matter Working Group.

"LHC ha davvero aperto nuovi orizzonti nella ricerca della materia oscura sotto forma di particelle massicce che interagiscono debolmente, coprendo una vasta gamma di potenziali segnali previsti dalla produzione di materia oscura, o produzione delle particelle che mediano le sue interazioni con la materia ordinaria. Tutti i risultati osservati sono coerenti con i modelli che non includono la materia oscura, e ci danno informazioni importanti su quali tipi di particelle non possono più spiegarlo. I risultati hanno entrambi indirizzato gli sperimentali in nuove direzioni su come cercare la materia oscura, e ha spinto i teorici a ripensare alle idee esistenti su cosa potrebbe essere la materia oscura, e in alcuni casi a inventarne di nuove".

Fallo, rompilo e scuotilo

Per cercare la materia oscura, gli esperimenti essenzialmente "lo fanno, romperlo o scuoterlo." LHC ha cercato di farcela facendo scontrare fasci di protoni. Alcuni esperimenti stanno usando telescopi nello spazio e a terra per cercare segnali indiretti di particelle di materia oscura mentre si scontrano ed eruttano in altri ancora stanno inseguendo direttamente queste particelle sfuggenti cercando i calci, o "scuote, "Danno ai nuclei atomici nei rivelatori sotterranei.

L'approccio make-it è complementare agli esperimenti break-it e shake-it, e se l'LHC rileva una potenziale particella di materia oscura, richiederà conferma dagli altri esperimenti per dimostrare che è davvero una particella di materia oscura. Al contrario, se gli esperimenti diretti e indiretti rilevano un segnale da un'interazione di particelle di materia oscura, gli esperimenti all'LHC potrebbero essere progettati per studiare i dettagli di tale interazione.

Segnale di momentum mancante e bump hunting

Quindi, in che modo LHC ha cercato segni di produzione di materia oscura nelle collisioni di protoni? La caratteristica principale della presenza di una particella di materia oscura in tali collisioni è il cosiddetto momento trasversale mancante. Per cercare questa firma, i ricercatori sommano i momenti delle particelle che i rivelatori di LHC possono vedere, più precisamente i momenti ad angolo retto rispetto ai fasci di protoni in collisione, e identificano qualsiasi momento mancante necessario per raggiungere il momento totale prima della collisione. La quantità di moto totale dovrebbe essere zero perché i protoni viaggiano lungo la direzione dei raggi prima che si scontrino. Ma se la quantità di moto totale dopo l'urto non è zero, il momento mancante necessario per azzerarlo potrebbe essere stato portato via da una particella di materia oscura non rilevata.

Lo slancio mancante è la base per due principali tipi di ricerca all'LHC. Un tipo è guidato dai cosiddetti nuovi modelli fisici completi, come i modelli a supersimmetria (SUSY). Nei modelli SUSY, le particelle note descritte dal Modello Standard della fisica delle particelle hanno una particella partner supersimmetrica con una proprietà quantistica chiamata spin che differisce da quella della sua controparte di metà di un'unità. Inoltre, in molti modelli SUSY, la particella supersimmetrica più leggera è una particella massiva a interazione debole (WIMP). Le WIMP sono uno dei candidati più accattivanti per una particella di materia oscura perché potrebbero generare l'attuale abbondanza di materia oscura nel cosmo. Le ricerche mirate alle WIMP di SUSY cercano lo slancio mancante da un paio di particelle di materia oscura più uno spray, o "getto, " di particelle e/o particelle chiamate leptoni.

Un altro tipo di ricerca che coinvolge la firma del momento mancante è guidata da modelli semplificati che includono una particella di materia oscura simile a WIMP e una particella mediatrice che interagirebbe con le particelle ordinarie note. Il mediatore può essere una particella nota, come il bosone Z o il bosone di Higgs, o una particella sconosciuta. Questi modelli hanno guadagnato una trazione significativa negli ultimi anni perché sono molto semplici ma di natura generale (i modelli completi sono specifici e quindi di portata più ristretta) e possono essere utilizzati come benchmark per i confronti tra i risultati dell'LHC e quelli del dark-collider. esperimenti sulla materia. Oltre al momento mancante da una coppia di particelle di materia oscura, questo secondo tipo di ricerca cerca almeno un oggetto altamente energetico come un getto di particelle o un fotone.

Nell'ambito dei modelli semplificati, c'è un'alternativa alle ricerche per mancanza di slancio, che è cercare non la particella di materia oscura ma la particella mediatrice attraverso la sua trasformazione, o "decadimento, " in particelle ordinarie. Questo approccio cerca un rigonfiamento su uno sfondo uniforme di eventi nei dati di collisione, come un urto nella distribuzione di massa degli eventi con due getti o due leptoni.

Restringere il territorio WIMP

Quali risultati hanno ottenuto gli esperimenti di LHC da queste ricerche WIMP? La risposta breve è che non hanno ancora trovato segni di materia oscura WIMP. La risposta più lunga è che hanno escluso grandi porzioni del territorio teorico delle WIMP e posto forti limiti ai valori consentiti delle proprietà sia della particella di materia oscura che della particella mediatrice, come le loro masse e le forze di interazione con altre particelle. Riassumendo i risultati degli esperimenti di LHC, Caterina Doglioni, membro della collaborazione all'esperimento ATLAS, afferma:"Abbiamo completato un gran numero di ricerche dedicate per particelle invisibili e particelle visibili che si verificherebbero in processi che coinvolgono la materia oscura, e abbiamo interpretato i risultati di queste ricerche in termini di molti diversi scenari WIMP di materia oscura, dai modelli semplificati ai modelli SUSY. Questo lavoro ha beneficiato della collaborazione tra sperimentalisti e teorici, ad esempio su piattaforme di discussione come l'LHC Dark Matter Working Group (LHC DM WG), che include teorici e rappresentanti dell'ATLAS, Collaborazioni CMS e LHCb. Anche l'inserimento dei risultati di LHC nel contesto della ricerca WIMP globale che include esperimenti di rilevamento diretto e indiretto è stato oggetto di discussione nella comunità della materia oscura, e la discussione continua fino ad oggi su come sfruttare al meglio le sinergie tra diversi esperimenti che hanno lo stesso obiettivo scientifico di trovare la materia oscura".

Facendo un esempio specifico di un risultato ottenuto con i dati dell'esperimento ATLAS, Priscilla Pani, Co-organizzatore dell'esperimento ATLAS del LHC Dark Matter WG, evidenzia come la collaborazione abbia recentemente cercato l'intero set di dati LHC dalla seconda esecuzione della macchina (Run 2), raccolti tra il 2015 e il 2018 per cercare casi in cui il bosone di Higgs potrebbe decadere in particelle di materia oscura. "Non abbiamo trovato casi di questo decadimento, ma siamo stati in grado di stabilire i limiti più forti fino ad oggi sulla probabilità che si verifichi, "dice Pani.

Phil Harris, Co-organizzatore dell'esperimento CMS del LHC Dark Matter Working Group, mette in evidenza le ricerche di un mediatore di materia oscura che decade in due getti, come una ricerca CMS recente basata sui dati della seconda esecuzione.

"Queste cosiddette ricerche dijet sono molto potenti perché possono sondare una vasta gamma di masse mediatrici e forze di interazione, "dice Harris.

Xabier Cid Vidal, LHCb è co-organizzatore dell'esperimento LHC Dark Matter WG, a sua volta nota come i dati di Run 1 e Run 2 sul decadimento di una particella nota come mesone Bs hanno permesso alla collaborazione LHCb di porre forti limiti ai modelli SUSY che includono WIMP. "Il decadimento del mesone Bs in due muoni è molto sensibile alle particelle SUSY, come SUSY WIMP, perché la frequenza con cui avviene il decadimento può essere molto diversa da quella prevista dal Modello Standard se le particelle SUSY, anche se le loro masse sono troppo alte per essere rilevate direttamente all'LHC, interferire con il decadimento, "dice Cid Vidal.

Gettare una rete più ampia

"Dieci anni fa, gli esperimenti (all'LHC e oltre) stavano cercando particelle di materia oscura con masse superiori alla massa del protone (1 GeV) e inferiori a pochi TeV. Questo è, stavano prendendo di mira le WIMP classiche come quelle previste da SUSY. Avanti veloce di 10 anni e gli esperimenti sulla materia oscura stanno ora cercando particelle simili a WIMP con masse a partire da circa 1 MeV e fino a 100 TeV, " dice Tait. "E i risultati nulli delle ricerche, come all'LHC, hanno ispirato molte altre possibili spiegazioni per la natura della materia oscura, dalla materia oscura sfocata composta da particelle con masse fino a 10−22 eV ai buchi neri primordiali con masse equivalenti a diversi soli. Alla luce di questo, la comunità della materia oscura ha iniziato a gettare una rete più ampia per esplorare un più ampio panorama di possibilità".

Sul fronte del collisore, i ricercatori di LHC hanno iniziato a studiare alcune di queste nuove possibilità. Per esempio, hanno iniziato a esaminare l'ipotesi che la materia oscura faccia parte di un settore oscuro più ampio con diversi nuovi tipi di particelle oscure. Queste particelle del settore oscuro potrebbero includere un equivalente di materia oscura del fotone, il fotone oscuro, che interagirebbero con le altre particelle del settore oscuro e con le particelle note, e particelle di lunga durata, che sono previste anche dai modelli SUSY.

"Gli scenari del settore oscuro forniscono una nuova serie di firme sperimentali, e questo è un nuovo parco giochi per i fisici di LHC, "dice Doglioni.

"Stiamo ora espandendo i metodi sperimentali con cui abbiamo familiarità, così possiamo provare a catturare segnali rari e insoliti sepolti in grandi sfondi. Inoltre, molti altri esperimenti attuali e pianificati stanno anche prendendo di mira settori oscuri e particelle che interagiscono più debolmente rispetto alle WIMP. Alcuni di questi esperimenti, come il nuovo esperimento FASER approvato, stanno condividendo la conoscenza, tecnologia e persino acceleratore complesso con i principali esperimenti di LHC, e completeranno la portata delle ricerche di LHC per la materia oscura non WIMP, come dimostrato dall'iniziativa CERN Physics Beyond Colliders."

Finalmente, i ricercatori di LHC stanno ancora lavorando sui dati di Run 2, e i dati finora raccolti, dalla corsa 1 e dalla corsa 2, è solo il 5% circa del totale che gli esperimenti registreranno. Dato ciò, così come l'immensa conoscenza acquisita dalle numerose analisi di LHC finora condotte, c'è forse la possibilità che LHC scopra una particella di materia oscura nei prossimi 10 anni. "È il fatto che non l'abbiamo ancora trovato e la possibilità di trovarlo in un futuro non così lontano che mi rende entusiasta del mio lavoro, " dice Harris. "Gli ultimi 10 anni ci hanno mostrato che la materia oscura potrebbe essere diversa da ciò che avevamo pensato inizialmente, ma questo non significa che non sia lì per noi da trovare, "dice Cid Vidal.

"Non lasceremo nulla di intentato, non importa quanto grande o piccolo e quanto tempo ci vorrà, "dice Pani.