El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es conocido por la búsqueda y el descubrimiento del bosón de Higgs, pero en los 10 años transcurridos desde que la máquina colisionó protones a una energía superior a la obtenida anteriormente en un acelerador de partículas, Los investigadores lo han estado utilizando para intentar cazar una partícula igualmente emocionante:la partícula hipotética que puede formar una forma invisible de materia llamada materia oscura, que es cinco veces más frecuente que la materia ordinaria y sin la cual no habría universo tal como lo conocemos. Las búsquedas de materia oscura del LHC han llegado hasta ahora con las manos vacías, al igual que las búsquedas sin colisionador, pero el increíble trabajo y la habilidad de los investigadores del LHC para encontrarlo los ha llevado a reducir muchas de las regiones donde la partícula puede estar oculta, hitos necesarios en el camino hacia un descubrimiento.

"Antes del LHC, el espacio de posibilidades para la materia oscura era mucho más amplio de lo que es hoy, "dice el teórico de la materia oscura Tim Tait de UC Irvine y co-convocante de teoría del Grupo de Trabajo de Materia Oscura del LHC.

"El LHC realmente ha abierto nuevos caminos en la búsqueda de materia oscura en forma de partículas masivas que interactúan débilmente, cubriendo una amplia gama de señales potenciales predichas por la producción de materia oscura, o producción de las partículas que median sus interacciones con la materia ordinaria. Todos los resultados observados han sido consistentes con modelos que no incluyen materia oscura, y darnos información importante sobre qué tipo de partículas ya no pueden explicarlo. Los resultados han apuntado a los experimentadores en nuevas direcciones sobre cómo buscar materia oscura, e impulsó a los teóricos a repensar las ideas existentes sobre lo que podría ser la materia oscura y, en algunos casos, a idear otras nuevas ".

Hazlo, rómpelo y sacúdelo

Para buscar la materia oscura experimentos esencialmente "lo hacen, romperlo o sacudirlo ". El LHC ha intentado hacerlo colisionando haces de protones. Algunos experimentos utilizan telescopios en el espacio y en el suelo para buscar señales indirectas de partículas de materia oscura a medida que chocan y se rompen en espacio. Otros todavía persiguen estas escurridizas partículas directamente buscando las patadas, o "batidos, "Dan a núcleos atómicos en detectores subterráneos.

El enfoque de hacerlo es complementario a los experimentos de romperlo y agitarlo, y si el LHC detecta una posible partícula de materia oscura, requerirá la confirmación de los otros experimentos para demostrar que en realidad es una partícula de materia oscura. Por el contrario, si los experimentos directos e indirectos detectan una señal de una interacción de partículas de materia oscura, Se podrían diseñar experimentos en el LHC para estudiar los detalles de dicha interacción.

Señal de falta de impulso y búsqueda de golpes

Entonces, ¿cómo ha estado buscando el LHC signos de producción de materia oscura en colisiones de protones? La principal firma de la presencia de una partícula de materia oscura en tales colisiones es el llamado momento transversal perdido. Para buscar esta firma, los investigadores suman los momentos de las partículas que los detectores del LHC pueden ver, más precisamente los momentos en ángulo recto con los haces de protones en colisión, e identifican cualquier momento faltante necesario para alcanzar el momento total antes de la colisión. El impulso total debería ser cero porque los protones viajan a lo largo de la dirección de los haces antes de chocar. Pero si el impulso total después de la colisión no es cero, el impulso faltante necesario para hacerlo cero podría haber sido llevado por una partícula de materia oscura no detectada.

El impulso perdido es la base de dos tipos principales de búsqueda en el LHC. Un tipo está guiado por los llamados nuevos modelos físicos completos, como los modelos de supersimetría (SUSY). En los modelos SUSY, las partículas conocidas descritas por el modelo estándar de física de partículas tienen una partícula asociada supersimétrica con una propiedad cuántica llamada espín que difiere de la de su contraparte en la mitad de una unidad. Además, en muchos modelos SUSY, la partícula supersimétrica más ligera es una partícula masiva de interacción débil (WIMP). Los WIMP son uno de los candidatos más cautivadores para una partícula de materia oscura porque podrían generar la abundancia actual de materia oscura en el cosmos. Las búsquedas dirigidas a SUSY WIMP buscan el impulso perdido de un par de partículas de materia oscura más un aerosol, o "jet, "de partículas y / o partículas llamadas leptones.

Otro tipo de búsqueda que involucra la firma del momento perdido está guiada por modelos simplificados que incluyen una partícula de materia oscura similar a WIMP y una partícula mediadora que interactuaría con las partículas ordinarias conocidas. El mediador puede ser una partícula conocida, como el bosón Z o el bosón de Higgs, o una partícula desconocida. Estos modelos han ganado una tracción significativa en los últimos años porque son muy simples pero de naturaleza general (los modelos completos son específicos y, por lo tanto, tienen un alcance más limitado) y se pueden usar como puntos de referencia para comparaciones entre los resultados del LHC y los de la oscuridad sin colisión. experimentos de materia. Además de perder el impulso de un par de partículas de materia oscura, este segundo tipo de búsqueda busca al menos un objeto altamente energético como un chorro de partículas o un fotón.

En el contexto de modelos simplificados, existe una alternativa a las búsquedas de impulso perdido, que es buscar no la partícula de materia oscura sino la partícula mediadora a través de su transformación, o "decadencia, "en partículas ordinarias. Este enfoque busca una protuberancia sobre un fondo uniforme de eventos en los datos de colisión, como un golpe en la distribución masiva de eventos con dos chorros o dos leptones.

Reduciendo el territorio WIMP

¿Qué resultados han obtenido los experimentos del LHC a partir de estas búsquedas WIMP? La respuesta corta es que aún no han encontrado signos de materia oscura WIMP. La respuesta más larga es que han descartado grandes porciones del territorio teórico WIMP y han puesto fuertes límites a los valores permitidos de las propiedades tanto de la partícula de materia oscura como de la partícula mediadora. como sus masas y fuerzas de interacción con otras partículas. Resumiendo los resultados de los experimentos del LHC, La miembro colaboradora del experimento ATLAS, Caterina Doglioni, dice:"Hemos completado una gran cantidad de búsquedas dedicadas de partículas invisibles y partículas visibles que ocurrirían en procesos que involucran materia oscura," y hemos interpretado los resultados de estas búsquedas en términos de muchos escenarios diferentes de materia oscura de WIMP, desde modelos simplificados hasta modelos SUSY. Este trabajo se benefició de la colaboración entre experimentales y teóricos, por ejemplo, en plataformas de debate como el Grupo de trabajo de materia oscura del LHC (LHC DM WG), que incluye teóricos y representantes del ATLAS, Colaboraciones CMS y LHCb. Situar los resultados del LHC en el contexto de la búsqueda global de WIMP que incluye experimentos de detección directa e indirecta también ha sido un foco de discusión en la comunidad de la materia oscura. y la discusión continúa hasta la fecha sobre cómo aprovechar mejor las sinergias entre diferentes experimentos que tienen el mismo objetivo científico de encontrar materia oscura ".

Dando un ejemplo específico de un resultado obtenido con datos del experimento ATLAS, Priscilla Pani, Co-convocante del experimento ATLAS del LHC Dark Matter WG, destaca cómo la colaboración ha buscado recientemente el conjunto de datos completo del LHC de la segunda ejecución de la máquina (Ejecución 2), recopilados entre 2015 y 2018, para buscar casos en los que el bosón de Higgs pueda descomponerse en partículas de materia oscura. "No encontramos casos de esta descomposición, pero pudimos establecer los límites más estrictos hasta la fecha sobre la probabilidad de que ocurra, "dice Pani.

Phil Harris, Co-convocante del experimento CMS del Grupo de Trabajo de Materia Oscura del LHC, destaca las búsquedas de un mediador de materia oscura que se descompone en dos chorros, como una búsqueda reciente de CMS basada en datos de Ejecución 2.

"Estas llamadas búsquedas dijet son muy poderosas porque pueden sondear una amplia gama de masas de mediadores y fortalezas de interacción, "dice Harris.

Xabier Cid Vidal, Co-convocante del experimento LHCb del Grupo de Trabajo de Materia Oscura del LHC, a su vez, señala cómo los datos de la Ejecución 1 y la Ejecución 2 sobre la desintegración de una partícula conocida como mesón Bs han permitido que la colaboración del LHCb imponga fuertes límites a los modelos SUSY que incluyen WIMP. "La desintegración del mesón Bs en dos muones es muy sensible a las partículas SUSY, como SUSY WIMP, porque la frecuencia con la que se produce la desintegración puede ser muy diferente de la predicha por el modelo estándar si las partículas SUSY, incluso si sus masas son demasiado altas para ser detectadas directamente en el LHC, interferir con la descomposición, "dice Cid Vidal.

Lanzando una red más amplia

"Hace diez años, Los experimentos (en el LHC y más allá) buscaban partículas de materia oscura con masas por encima de la masa del protón (1 GeV) y por debajo de unos pocos TeV. Es decir, estaban apuntando a WIMP clásicos como los predichos por SUSY. Avance rápido 10 años y los experimentos de materia oscura ahora están buscando partículas similares a WIMP con masas tan bajas como alrededor de 1 MeV y tan altas como 100 TeV. "dice Tait". Y los resultados nulos de las búsquedas, como en el LHC, han inspirado muchas otras posibles explicaciones para la naturaleza de la materia oscura, desde materia oscura difusa formada por partículas con masas tan bajas como 10-22 eV hasta agujeros negros primordiales con masas equivalentes a varios soles. A la luz de esta, la comunidad de la materia oscura ha comenzado a lanzar una red más amplia para explorar un panorama más amplio de posibilidades ".

En el frente del colisionador, los investigadores del LHC han comenzado a investigar algunas de estas nuevas posibilidades. Por ejemplo, han comenzado a analizar la hipótesis de que la materia oscura es parte de un sector oscuro más grande con varios tipos nuevos de partículas oscuras. Estas partículas del sector oscuro podrían incluir un equivalente de materia oscura del fotón, el fotón oscuro, que interactuaría con las otras partículas del sector oscuro, así como con las partículas conocidas, y partículas de larga vida, que también son pronosticados por los modelos SUSY.

"Los escenarios del sector oscuro proporcionan un nuevo conjunto de firmas experimentales, y este es un nuevo campo de juego para los físicos del LHC, "dice Doglioni.

"Ahora estamos ampliando los métodos experimentales con los que estamos familiarizados, para que podamos intentar captar señales raras e inusuales enterradas en grandes fondos. Es más, muchos otros experimentos actuales y planificados también están dirigidos a sectores oscuros y partículas que interactúan más débilmente que los WIMP. Algunos de estos experimentos, como el experimento FASER recientemente aprobado, están compartiendo conocimientos, tecnología e incluso complejo de aceleradores con los principales experimentos del LHC, y complementarán el alcance de las búsquedas del LHC de materia oscura que no sea WIMP, como lo demuestra la iniciativa CERN Physics Beyond Colliders ".

Finalmente, los investigadores del LHC todavía están trabajando en datos de la Ejecución 2, y los datos recopilados hasta ahora, de Run 1 y Run 2, es solo alrededor del 5% del total que registrarán los experimentos. Dado este, así como el inmenso conocimiento obtenido de los numerosos análisis del LHC realizados hasta ahora, tal vez exista una gran posibilidad de que el LHC descubra una partícula de materia oscura en los próximos 10 años. "Es el hecho de que aún no lo hemos encontrado y la posibilidad de que lo encontremos en un futuro no muy lejano lo que me mantiene entusiasmado con mi trabajo, "dice Harris." Los últimos 10 años nos han demostrado que la materia oscura podría ser diferente de lo que habíamos pensado inicialmente, pero eso no significa que no esté allí para que lo encontremos, "dice Cid Vidal.

"No dejaremos piedra sin remover, no importa cuán grande o pequeño sea y cuánto tiempo nos lleve, "dice Pani.