O Large Hadron Collider (LHC) é conhecido pela busca e descoberta do bóson de Higgs, mas nos 10 anos desde que a máquina colidiu com prótons a uma energia maior do que a alcançada anteriormente em um acelerador de partículas, pesquisadores têm usado para tentar caçar uma partícula igualmente excitante:a partícula hipotética que pode constituir uma forma invisível de matéria chamada matéria escura, que é cinco vezes mais prevalente do que a matéria comum e sem a qual não haveria universo como o conhecemos. As pesquisas de matéria escura do LHC até agora deram de mãos vazias, assim como as pesquisas não colisor, mas o incrível trabalho e habilidade colocados pelos pesquisadores do LHC para encontrá-lo os levou a restringir muitas das regiões onde a partícula pode estar escondida - marcos necessários no caminho para uma descoberta.

“Antes do LHC, o espaço de possibilidades para a matéria escura era muito mais amplo do que é hoje, "diz o teórico da matéria escura Tim Tait da UC Irvine e co-organizador da teoria do Grupo de Trabalho da Matéria Escura do LHC.

"O LHC realmente abriu novos caminhos na busca de matéria escura na forma de partículas massivas de interação fraca, cobrindo uma ampla gama de sinais potenciais previstos por qualquer produção de matéria escura, ou produção das partículas mediando suas interações com a matéria comum. Todos os resultados observados foram consistentes com modelos que não incluem matéria escura, e nos dê informações importantes sobre quais tipos de partículas não podem mais explicá-lo. Os resultados apontaram os experimentalistas em novas direções para a busca de matéria escura, e levou os teóricos a repensar as idéias existentes sobre o que poderia ser a matéria escura - e, em alguns casos, a apresentar novas idéias. "

Faça, quebrar e sacudir

Para procurar matéria escura, experimentos essencialmente "fazem isso, quebrá-lo ou sacudi-lo. "O LHC tem tentado fazer isso colidindo feixes de prótons. Alguns experimentos estão usando telescópios no espaço e no solo para procurar sinais indiretos de partículas de matéria escura conforme elas colidem e se separam em espaço. Outros ainda estão perseguindo essas partículas indescritíveis diretamente, procurando os chutes, ou "shakes, "dão a núcleos atômicos em detectores subterrâneos.

A abordagem make-it é complementar aos experimentos break-it e shake-it, e se o LHC detectar uma partícula de matéria escura em potencial, exigirá a confirmação de outros experimentos para provar que é realmente uma partícula de matéria escura. Por contraste, se os experimentos diretos e indiretos detectarem um sinal de uma interação de partícula de matéria escura, experimentos no LHC poderiam ser projetados para estudar os detalhes de tal interação.

Sinal de falta de movimento e caça de solavancos

Então, como o LHC tem procurado por sinais de produção de matéria escura em colisões de prótons? A principal assinatura da presença de uma partícula de matéria escura em tais colisões é o chamado momento transversal ausente. Para procurar esta assinatura, os pesquisadores somam os momentos das partículas que os detectores do LHC podem ver - mais precisamente os momentos em ângulos retos com os feixes de prótons em colisão - e identificam qualquer momento ausente necessário para atingir o momento total antes da colisão. O momento total deve ser zero porque os prótons viajam ao longo da direção dos feixes antes de colidirem. Mas se o momento total após a colisão não for zero, a quantidade de movimento necessária para torná-lo zero pode ter sido carregada por uma partícula de matéria escura não detectada.

A falta de momentum é a base para dois tipos principais de pesquisa no LHC. Um tipo é guiado pelos chamados novos modelos físicos completos, como modelos de supersimetria (SUSY). Nos modelos SUSY, as partículas conhecidas descritas pelo Modelo Padrão da física de partículas têm uma partícula supersimétrica parceira com uma propriedade quântica chamada spin que difere daquela de sua contraparte pela metade de uma unidade. Além disso, em muitos modelos SUSY, a partícula supersimétrica mais leve é ​​uma partícula massiva de interação fraca (WIMP). WIMPs são um dos candidatos mais cativantes para uma partícula de matéria escura porque eles podem gerar a atual abundância de matéria escura no cosmos. Pesquisas direcionadas a SUSY WIMPs procuram por momentum ausente de um par de partículas de matéria escura mais um spray, ou "jato, "de partículas e / ou partículas chamadas léptons.

Outro tipo de pesquisa envolvendo a assinatura do momento ausente é guiada por modelos simplificados que incluem uma partícula de matéria escura semelhante a WIMP e uma partícula mediadora que interagiria com as partículas comuns conhecidas. O mediador pode ser uma partícula conhecida, como o bóson Z ou o bóson de Higgs, ou uma partícula desconhecida. Esses modelos ganharam força significativa nos últimos anos porque são muito simples, mas de natureza geral (modelos completos são específicos e, portanto, de escopo mais restrito) e podem ser usados ​​como benchmarks para comparações entre os resultados do LHC e do não colisor escuro experimentos de matéria. Além de perder o momentum de um par de partículas de matéria escura, este segundo tipo de pesquisa procura pelo menos um objeto altamente energético, como um jato de partículas ou um fóton.

No contexto de modelos simplificados, há uma alternativa para pesquisas de momento perdido, que é procurar não pela partícula de matéria escura, mas pela partícula mediadora através de sua transformação, ou "decadência, "em partículas comuns. Esta abordagem procura uma colisão sobre um fundo suave de eventos nos dados de colisão, como um aumento na distribuição em massa de eventos com dois jatos ou dois léptons.

Limitando o território WIMP

Que resultados os experimentos do LHC alcançaram com essas pesquisas WIMP? A resposta curta é que eles ainda não encontraram sinais de matéria escura WIMP. A resposta mais longa é que eles descartaram grandes porções do território WIMP teórico e colocaram fortes limites nos valores permitidos das propriedades tanto da partícula de matéria escura quanto da partícula mediadora, como suas massas e forças de interação com outras partículas. Resumindo os resultados dos experimentos do LHC, Caterina Doglioni, membro da colaboração experimental do ATLAS, afirma:"Concluímos um grande número de pesquisas dedicadas por partículas invisíveis e partículas visíveis que ocorreriam em processos que envolvem matéria escura, e interpretamos os resultados dessas pesquisas em termos de muitos cenários diferentes de matéria escura WIMP, de modelos simplificados a modelos SUSY. Este trabalho se beneficiou da colaboração entre experimentalistas e teóricos, por exemplo, em plataformas de discussão como o Grupo de Trabalho de Matéria Escura do LHC (LHC DM WG), que inclui teóricos e representantes do ATLAS, Colaborações CMS e LHCb. Colocar os resultados do LHC no contexto da pesquisa WIMP global que inclui experimentos de detecção direta e indireta também tem sido um foco de discussão na comunidade de matéria escura, e a discussão continua até hoje sobre a melhor forma de explorar as sinergias entre diferentes experimentos que têm o mesmo objetivo científico de encontrar matéria escura. "

Dando um exemplo específico de um resultado obtido com os dados do experimento ATLAS, Priscilla Pani, ATLAS co-organizador do experimento do LHC Dark Matter WG, destaca como a colaboração pesquisou recentemente o conjunto de dados LHC completo da segunda execução da máquina (Execução 2), coletados entre 2015 e 2018, para procurar casos em que o bóson de Higgs pode decair em partículas de matéria escura. "Não encontramos casos dessa deterioração, mas conseguimos definir os limites mais rígidos até o momento para a probabilidade de que ela ocorra, "diz Pani.

Phil Harris, Co-organizador do experimento CMS do Grupo de Trabalho de Matéria Escura do LHC, destaca pesquisas por um mediador de matéria escura decaindo em dois jatos, como uma pesquisa recente do CMS com base nos dados da Run 2.

"Essas chamadas buscas dijet são muito poderosas porque podem sondar uma grande variedade de massas de mediadores e intensidades de interação, "diz Harris.

Xabier Cid Vidal, LHCb co-organizador do experimento do LHC Dark Matter WG, por sua vez, observa como os dados da Execução 1 e da Execução 2 sobre o decaimento de uma partícula conhecida como meson Bs permitiram que a colaboração do LHCb colocasse limites fortes nos modelos SUSY que incluem WIMPs. "O decaimento do meson Bs em dois múons é muito sensível às partículas SUSY, como SUSY WIMPs, porque a frequência com que ocorre o decaimento pode ser muito diferente daquela prevista pelo Modelo Padrão se partículas SUSY, mesmo que suas massas sejam muito altas para serem detectadas diretamente no LHC, interfere com a decadência, "diz Cid Vidal.

Lançando uma rede mais ampla

"Dez anos atrás, experimentos (no LHC e além) estavam procurando por partículas de matéria escura com massas acima da massa do próton (1 GeV) e abaixo de alguns TeV. Isso é, eles tinham como alvo os WIMPs clássicos, como os previstos pelo SUSY. Avanço rápido de 10 anos e experimentos de matéria escura estão agora procurando por partículas semelhantes a WIMP com massas tão baixas quanto cerca de 1 MeV e tão altas quanto 100 TeV, "diz Tait." E os resultados nulos das pesquisas, como no LHC, inspiraram muitas outras explicações possíveis para a natureza da matéria escura, de matéria escura difusa feita de partículas com massas tão baixas quanto 10−22 eV a buracos negros primordiais com massas equivalentes a vários sóis. Diante disso, a comunidade da matéria escura começou a lançar uma rede mais ampla para explorar uma paisagem maior de possibilidades. "

Na frente do colisor, os pesquisadores do LHC começaram a investigar algumas dessas novas possibilidades. Por exemplo, eles começaram a olhar para a hipótese de que a matéria escura faz parte de um setor escuro maior com vários novos tipos de partículas escuras. Essas partículas do setor escuro podem incluir um equivalente de matéria escura do fóton, o fóton escuro, que interagiria com as outras partículas do setor escuro, bem como com as partículas conhecidas, e partículas de vida longa, que também são previstos por modelos SUSY.

"Os cenários do setor escuro fornecem um novo conjunto de assinaturas experimentais, e este é um novo playground para os físicos do LHC, "diz Doglioni.

"Agora estamos expandindo os métodos experimentais com os quais estamos familiarizados, para que possamos tentar capturar sinais raros e incomuns enterrados em grandes fundos. Além disso, muitos outros experimentos atuais e planejados também têm como alvo setores escuros e partículas interagindo mais debilmente do que WIMPs. Alguns desses experimentos, como o experimento FASER recém-aprovado, estão compartilhando conhecimento, tecnologia e até mesmo complexo de aceleradores com os principais experimentos do LHC, e irão complementar o alcance das pesquisas do LHC por matéria escura não WIMP, como mostrado pela iniciativa CERN Physics Beyond Colliders. "

Finalmente, os pesquisadores do LHC ainda estão trabalhando nos dados da Execução 2, e os dados coletados até agora, da execução 1 e execução 2, é apenas cerca de 5% do total que os experimentos registrarão. Diante disso, bem como o imenso conhecimento obtido com as muitas análises do LHC realizadas até agora, talvez haja uma grande chance de que o LHC descubra uma partícula de matéria escura nos próximos 10 anos. "É o fato de ainda não o termos encontrado e a possibilidade de que possamos encontrá-lo em um futuro não tão distante que me mantém animado com o meu trabalho, "diz Harris." Os últimos 10 anos nos mostraram que a matéria escura pode ser diferente do que havíamos pensado inicialmente, mas isso não significa que não esteja lá para nós encontrarmos, "diz Cid Vidal.

"Não vamos deixar pedra sobre pedra, não importa quão grande ou pequeno e quanto tempo vai demorar, "diz Pani.