La materia visible, desde el polen hasta las estrellas y las galaxias, representa aproximadamente el 15% de la masa total del universo. El 85% restante está hecho de algo completamente diferente a las cosas que podemos tocar y ver:materia oscura. A pesar de la abrumadora evidencia de la observación de los efectos gravitacionales, la naturaleza de la materia oscura y su composición siguen siendo desconocidas.

¿Cómo pueden los físicos estudiar la materia oscura más allá de los efectos gravitacionales si es prácticamente invisible? Los investigadores están siguiendo tres enfoques:

• detección indirecta con observatorios astronómicos que buscan los productos de desintegración de la aniquilación de materia oscura en los centros galácticos
• Detección directa con experimentos de bajo fondo altamente sensibles que buscan la materia oscura que se dispersa en los núcleos.
• creando materia oscura en el entorno de laboratorio controlado del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN.

Aunque tiene éxito en la descripción de partículas elementales y sus interacciones a bajas energías, el modelo estándar de física de partículas no incluye una partícula de materia oscura viable. Los únicos candidatos posibles, neutrinos, no tienen las propiedades adecuadas para explicar la materia oscura observada. Para remediar este problema, una simple extensión teórica del Modelo Estándar postula que las partículas existentes, como el bosón de Higgs, actuar como un "portal" entre partículas conocidas y partículas de materia oscura. Dado que el bosón de Higgs se acopla a la masa, partículas masivas de materia oscura deberían interactuar con él. El bosón de Higgs todavía tiene grandes incertidumbres asociadas con la fuerza de su interacción con las partículas del Modelo Estándar; hasta el 30% de las desintegraciones del bosón de Higgs pueden ser potencialmente invisibles, según las últimas mediciones combinadas del bosón de Higgs de ATLAS.

¿Podrían algunos de los bosones de Higgs descomponerse en materia oscura? Como la materia oscura no interactúa directamente con el detector ATLAS, los físicos buscan signos de "partículas invisibles, "inferido a través de la conservación del momento de los productos de colisión protón-protón. Según el Modelo Estándar, la fracción de bosones de Higgs que se desintegra a un estado final invisible (¡cuatro neutrinos!) representa solo el 0,1% y, por lo tanto, es insignificante. Si se observan tales eventos, sería una indicación directa de nueva física y evidencia potencial de que los bosones de Higgs se descomponen en partículas de materia oscura.

En el LHC, el canal más sensible para buscar desintegraciones directas del bosón de Higgs a partículas invisibles es a través de la llamada producción de vector de fusión de bosones (VBF) del bosón de Higgs. La producción del bosón de Higgs de VBF da como resultado dos pulverizaciones de partículas (llamadas "chorros") que apuntan en una dirección más hacia adelante en el detector ATLAS. Esta, combinado con un gran impulso perdido en dirección perpendicular ("transversal") al eje del haz de las partículas invisibles de materia oscura, crea una firma única que los físicos de ATLAS pueden buscar.

ATLAS Collaboration ha estudiado el conjunto de datos completo del LHC Run 2, recopilados por el detector en 2015-2018, para buscar decaimientos del bosón de Higgs en partículas de materia oscura en eventos VBF. En el análisis no se encontró un exceso significativo de eventos sobre el fondo esperado de los procesos conocidos del Modelo Estándar. Derivado de ATLAS, a un nivel de confianza del 95%, un enlace de exclusión de la desintegración del bosón de Higgs a partículas invisibles del 13%. Este análisis incluyó aproximadamente un 75% más de datos que la búsqueda ATLAS anterior, y el equipo implementó varias mejoras que incluyen:

• Algoritmos de filtrado más rápidos para generar más colisiones simuladas con potencia de cálculo equivalente. La falta de eventos simulados fue la principal incertidumbre en la primera versión de 13 TeV de este análisis.
• Selección de colisión optimizada para aceptar ~ 50% más de eventos del bosón de Higgs en el mismo conjunto de datos.
• Categorización de eventos refinada para dar como resultado una relación señal / fondo más alta en las regiones de búsqueda. Esto se puede ver en la Figura 1 como la curva roja en el panel inferior aumenta con una mayor masa invariante de los dos chorros principales (m _jj ).
• Aceptación mejorada de colisiones enriquecidas en procesos en segundo plano, permitiendo a los analistas mejorar el modelado del proceso en segundo plano.

Esta exclusión observada es consistente con ningún signo de que el bosón de Higgs se descomponga en materia oscura. Los nuevos resultados avanzan en la búsqueda de partículas masivas de interacción débil (WIMP), un candidato popular para la materia oscura. ATLAS estableció límites de exclusión adicionales para masas WIMP más bajas, que se comparan con otros experimentos de detección directa en la Figura 2. Estos límites son competitivos con los mejores experimentos de detección directa para masas WIMP de hasta la mitad de la masa del bosón de Higgs, asumiendo que el bosón de Higgs interactúa directamente con la materia oscura.

Este nuevo análisis coloca los límites existentes más fuertes en la descomposición del bosón de Higgs en partículas invisibles hasta la fecha. A medida que avanza la búsqueda, Los físicos continuarán aumentando la sensibilidad a esta sonda fundamental de materia oscura.