A natureza da matéria escura continua sendo um dos grandes enigmas não resolvidos da física fundamental. Inexplicado pelo modelo padrão, a matéria escura levou os cientistas a sondar novos modelos físicos para entender sua existência. Muitos desses cenários teóricos postulam que partículas de matéria escura poderiam ser produzidas nas intensas colisões próton-próton de alta energia do LHC. Enquanto a matéria escura escaparia do experimento ATLAS no CERN sem ser vista, pode ocasionalmente ser acompanhado por um jato visível de partículas irradiadas do ponto de interação, fornecendo assim um sinal detectável.

A ATLAS Collaboration se propôs a encontrar exatamente isso, lançando uma nova busca por novos fenômenos em eventos de colisão com jatos e alto momento transversal ausente (MET). A pesquisa foi projetada para descobrir eventos que possam indicar a existência de processos físicos fora do Modelo Padrão e, ao fazer isso, abra uma janela para o cosmos.

Para identificar tais eventos, os físicos exploraram o princípio da conservação do momento no plano do detector transversal - isto é, perpendicular à direção do feixe - procurando por jatos visíveis recuando de algo invisível. Como eventos com jatos são comuns no LHC, os físicos refinaram ainda mais seus parâmetros:os eventos tinham que ter pelo menos um jato altamente energético e MET significativo, gerado pelo desequilíbrio momentum das partículas "invisíveis". Isso é conhecido como um evento de monojeto - um exemplo espetacular do qual pode ser visto na Figura 1, uma exibição de eventos de 2017 com o monojato de maior impulso (1.9 TeV) registrado até agora pelo ATLAS.

Uma infinidade de fenômenos exóticos, não detectável diretamente por experimentos com colisor, também poderia ter gerado esta assinatura monojeto característica. Os físicos do ATLAS, portanto, decidiram tornar seu estudo inclusivo de vários novos modelos de física, incluindo aqueles com supersimetria, energia escura, grandes dimensões espaciais extras, ou partículas semelhantes a axion.

A evidência de novos fenômenos seria vista em um excesso de eventos de colisão com grande MET em comparação com a expectativa do Modelo Padrão. Prever com precisão as diferentes contribuições de fundo foi um desafio importante, já que vários processos abundantes de modelo padrão poderiam imitar exatamente a topologia do sinal - como a produção de um jato mais um bóson Z, que então decai em dois neutrinos que também deixam o ATLAS sem serem detectados diretamente.

Os físicos usaram uma combinação de técnicas baseadas em dados e cálculos teóricos de alta precisão para estimar o background do Modelo Padrão. A incerteza de fundo total na região do sinal varia de cerca de 1% a 4% na faixa de MET entre 200 GeV e 1,2 TeV. A forma do espectro MET foi usada para aumentar o poder de discriminação entre sinais e fundos, aumentando assim o potencial de descoberta. A Figura 2 mostra uma comparação do espectro MET observado em todo o conjunto de dados coletado do experimento ATLAS durante a Execução 2 (2015–2018), e a expectativa do Modelo Padrão.

Como nenhum excesso significativo foi observado, os físicos usaram o nível de concordância entre os dados e a previsão para definir limites nos parâmetros de novos modelos físicos. No contexto de partículas massivas de interação fraca (um candidato popular à matéria escura), Os físicos do ATLAS foram capazes de excluir massas de partículas de matéria escura de até cerca de 500 GeV e mediadores de vetor axial de interação de até 2 TeV, ambos com nível de confiança de 95%. Esses resultados fornecem os limites de matéria escura mais rigorosos em experimentos com colisor até agora, e um marco do programa de pesquisa ATLAS.