A matéria visível - tudo, desde pólen a estrelas e galáxias - é responsável por cerca de 15% da massa total do universo. Os 85% restantes são feitos de algo totalmente diferente das coisas que podemos tocar e ver:matéria escura. Apesar das evidências esmagadoras da observação dos efeitos gravitacionais, a natureza da matéria escura e sua composição permanecem desconhecidas.

Como os físicos podem estudar a matéria escura além dos efeitos gravitacionais se ela é praticamente invisível? Os pesquisadores estão buscando três abordagens:

• detecção indireta com observatórios astronômicos em busca dos produtos de decadência da aniquilação da matéria escura nos centros galácticos
• detecção direta com experimentos de baixo fundo altamente sensíveis à procura de matéria escura espalhando os núcleos
• criando matéria escura no ambiente de laboratório controlado do Large Hadron Collider (LHC) no CERN.

Embora tenha sucesso na descrição de partículas elementares e suas interações em baixas energias, o modelo padrão da física de partículas não inclui uma partícula de matéria escura viável. Os únicos candidatos possíveis, neutrinos, não têm as propriedades corretas para explicar a matéria escura observada. Para remediar este problema, uma simples extensão teórica do Modelo Padrão postula que as partículas existentes, como o bóson de Higgs, atua como um "portal" entre as partículas conhecidas e as partículas de matéria escura. Uma vez que o bóson de Higgs se acopla à massa, partículas massivas de matéria escura devem interagir com ele. O bóson de Higgs ainda tem grandes incertezas associadas à intensidade de sua interação com as partículas do Modelo Padrão; até 30% dos decaimentos do bóson de Higgs podem ser potencialmente invisíveis, de acordo com as medições ATLAS combinadas do bóson de Higgs mais recentes.

Alguns dos bósons de Higgs poderiam se decompor em matéria escura? Como a matéria escura não interage diretamente com o detector ATLAS, físicos procuram por sinais de "partículas invisíveis, "inferida por meio da conservação do momento dos produtos de colisão próton-próton. De acordo com o modelo padrão, a fração de bósons de Higgs decaindo para um estado final invisível (quatro neutrinos!) é responsável por apenas 0,1% e, portanto, insignificante. Caso tais eventos sejam observados, seria uma indicação direta de uma nova física e evidências potenciais de bósons de Higgs decaindo em partículas de matéria escura.

No LHC, o canal mais sensível para procurar decaimentos diretos do bóson de Higgs para partículas invisíveis é por meio da chamada produção de fusão do bóson vetorial (VBF) do bóson de Higgs. A produção do bóson de Higgs VBF resulta em duas pulverizações de partículas (chamadas "jatos") que apontam em uma direção mais direta no detector ATLAS. Esse, combinado com um grande momento ausente na direção perpendicular ("transversal") ao eixo do feixe das partículas invisíveis de matéria escura, cria uma assinatura única que os físicos do ATLAS podem pesquisar.

A ATLAS Collaboration estudou todo o conjunto de dados LHC Run 2, coletados pelo detector em 2015-2018, para pesquisar decaimentos do bóson de Higgs em partículas de matéria escura em eventos de VBF. Nenhum excesso significativo de eventos sobre o histórico esperado de processos do Modelo Padrão conhecidos foi encontrado na análise. ATLAS derivado, com um nível de confiança de 95%, um limite de exclusão do decaimento do bóson de Higgs para partículas invisíveis de 13%. Esta análise incluiu cerca de 75% a mais de dados do que a pesquisa ATLAS anterior, e a equipe implementou várias melhorias, incluindo:

• Algoritmos de filtragem mais rápidos para gerar mais colisões simuladas com poder de computação equivalente. A falta de eventos simulados foi a principal incerteza na primeira versão de 13 TeV desta análise.
• Seleção de colisão otimizada para aceitar ~ 50% mais eventos do bóson de Higgs no mesmo conjunto de dados.
• Categorização de eventos refinada para resultar em uma relação sinal-fundo mais alta nas regiões de pesquisa. Isso pode ser visto na Figura 1 conforme a curva vermelha no painel inferior aumenta com maior massa invariante dos dois jatos principais (m _jj )
• Melhor aceitação para colisões enriquecida em processos em segundo plano, permitindo que os analistas aprimorem a modelagem do processo em segundo plano.

Esta exclusão observada é consistente com nenhum sinal do bóson de Higgs decaindo em matéria escura. Os novos resultados avançam na busca por partículas massivas de interação fraca (WIMPs), um candidato popular para matéria escura. ATLAS define limites de exclusão adicionais para massas WIMP mais baixas, que são comparados a outros experimentos de detecção direta na Figura 2. Esses limites são competitivos com os melhores experimentos de detecção direta para massas WIMP de até metade da massa do bóson de Higgs, assumindo que o bóson de Higgs interage diretamente com a matéria escura.

Essa nova análise coloca os limites mais fortes existentes no bóson de Higgs que decaiu para partículas invisíveis até o momento. Conforme a pesquisa continua, os físicos continuarão a aumentar a sensibilidade a essa sonda fundamental da matéria escura.