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Accueil > Masses et Interactions Fondamentales > ATLAS > Activités > Physique > Recherche de formes exotiques de matière noire
Recherche de formes exotiques de matière noire
La recherche de la matière noire repose aujourd’hui sur trois approches complémentaires : sa détection directe, où l’on tente d’observer ses interactions rares avec la matière ordinaire ; sa détection indirecte, fondée sur la recherche de ses produits d’annihilation dans les rayons cosmiques ; et sa production explicite dans les accélérateurs de particules comme le Large Hadron Collider (LHC) du CERN.
Longtemps, on a essayé d’associer la matière noire à la physique électrofaible, en particulier à des particules de type WIMP prédites naturellement par des théories supersymétriques par exemple, car la densité relique observée pouvait correspondre à des sections efficaces typiques de l’interaction faible à son énergie caractéristique. Cependant, malgré plusieurs décennies de recherches, aucune preuve expérimentale n’a été obtenue. Ce constat a conduit à diversifier les recherches de candidats de masses très variées, voire à vérifier si des objets astrophysiques comme les trous noirs primordiaux pouvaient constituer une fraction notable de la matière noire.
Cette diversification impose d’explorer des signatures inédites et de repenser les techniques de détection et de reconstruction des événements. Certains modèles prédisent la production de particules de longue durée de vie (LLP) susceptibles d’échapper aux algorithmes standard. D’autres donnent au boson de Higgs, découvert en 2012, un rôle de portail entre le secteur visible et le secteur sombre contenant les particules de matière noire. Ces scénarios incluent notamment des particules de type axion (ALP), pouvant se désintégrer en deux photons, de manière prompte ou différée selon leur durée de vie (LL-ALP).
L’un des canaux privilégiés consiste à étudier la production de paires de photons issues de résonances exotiques se désintégrant au point d’interaction ou à distance de ce dernier. Notre équipe, impliquée dans la découverte du boson de Higgs dans le canal diphoton durant le Run 1, s’est orientée vers la recherche de telles signatures. Au Run 2, elle a contribué à la recherche de résonances diphoton sur une large gamme de masses, puis à la mise au point d’une stratégie innovante basée sur la détection de paires de photons fortement boostées, permettant d’exclure l’existence de résonances légères avec des masses d’environ 5 GeV/c 2 au minimum. Ce travail s’appuie sur une amélioration des critères d’isolation calorimétrique des photons, optimisés à partir des données expérimentales.
Les études actuelles menées avec les données du Run 3 visent à affiner ces corrections, à estimer les incertitudes systématiques entre données et simulations, et à développer de nouveaux critères adaptés aux photons collimatés afin d’accroître la sensibilité aux particules légères de type axion ou à des LL-ALP. Ces travaux s’inscrivent dans deux collaborations majeures : un projet COFECUB avec le cluster ATLAS du Brésil, dédié à l’optimisation du déclenchement d’ATLAS et à l’application de l’apprentissage automatique aux différents challenge de ces analyses ; et un projet ANR associant le LPSC, le LPNHE et le LPTHE, centré sur la recherche de particules de longue durée de vie. Ce dernier vise également à améliorer la réinterprétation des analyses du LHC grâce à MadAnalysis5, enrichi d’un module de simulation rapide basé sur l’intelligence artificielle générative.
Ainsi, par la combinaison d’innovations expérimentales, d’approches théoriques renouvelées et d’une forte dynamique collaborative, ce programme contribue activement à la diversification et à la modernisation de la recherche de matière noire au LHC.
Retrouvez ce texte dans le rapport d’activité 2024-2025 du LPNHE.
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