Où chercher de nouvelles particules si ce n’est auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) ? D'après la théorie de la supersymétrie, il existerait, pour chaque particule fondamentale connue, toute une famille de superpartenaires. Cette hypothèse, qui peut paraître extravagante, correspond à différentes lacunes dans la théorie actuelle, telles que l'origine de la mystérieuse matière noire dans l'Univers, la masse « non naturelle », trop faible, du boson de Higgs, le moment magnétique anormal du muon, voire la relation existant entre les différentes forces de la nature. Mais si ces superpartenaires existent, où peuvent-ils donc bien se cacher ?
C'est ce que les scientifiques du LHC tentent de découvrir. Dans une étude menée récemment sur les données issues des collisions proton-proton de la deuxième période d'exploitation du LHC (2015–2018), la collaboration ATLAS présente la vue d'ensemble la plus complète à ce jour de ses recherches de certains types de particules supersymétriques, parmi les plus insaisissables : celles qui ne seraient que rarement produites sous l'action de la force nucléaire faible ou de la force électromagnétique. La plus légère de ces particules supersymétriques à faibles interactions pourrait être à l'origine de la matière noire.
Grâce à une énergie de collision et à un taux de collision plus élevés lors de la deuxième période d'exploitation, et également à de nouveaux algorithmes de recherche et à des techniques d'apprentissage automatique, il a été possible d'explorer de manière plus approfondie ce territoire particulièrement difficile d'accès.
Les scientifiques d'ATLAS ont rassemblé les résultats de huit recherches ciblant les particules supersymétriques, chacune utilisant une méthode différente. La puissance et la sensibilité combinées des différentes stratégies de recherche ont permis d'étudier des dizaines de milliers de modèles de supersymétrie, proposant chacun des prédictions différentes quant aux masses des particules supersymétriques.
Ces recherches ont une sensibilité sans précédent et explorent un large éventail de masses pour les particules supersymétriques. Les équipes d’ATLAS ont cherché des indices de matière noire « fabriquée en laboratoire », c'est-à-dire de la matière noire créée dans les collisions au LHC. Leurs recherches se sont avérées complémentaires à celles d'autres expériences cherchant quant à elles des « reliquats » de matière noire naturelle issue du Big Bang. Contrairement aux recherches s’appuyant sur des collisionneurs, dans lesquelles il n’est pas nécessaire de détecter de la matière noire pour pouvoir conclure qu’elle est présente, ces expériences comptent sur une probabilité suffisamment grande que des particules de matière noire percutent de la matière ordinaire et soient ainsi détectées.
L'un des résultats les plus significatifs de cette combinaison de recherches est que certaines régions, considérées jusqu'ici comme possibles pour les masses des particules supersymétriques, dans lesquelles la masse d'une particule de matière noire fait environ la moitié de celle du boson Z ou du boson de Higgs, ont maintenant été presque totalement exclues.
Une étude aussi complète permet également de comprendre quels sont les modèles de supersymétrie qui n'ont pas encore été explorés. ATLAS a présenté des exemples de ces modèles, qui peuvent être utilisés pour optimiser les recherches futures. Bien que les cachettes possibles pour les particules supersymétriques aient été éliminées les unes après les autres, de nombreux modèles restent obstinément hors d’atteinte. Améliorer la sensibilité des recherches d'ATLAS à ces modèles nécessitera de recueillir davantage de données issues des collisions et d'affiner encore davantage la stratégie de recherche
Pour en savoir plus, voir le site web de l’expérience ATLAS (en anglais).