Quarks zijn de kleinste deeltjes die we kennen. In feite, volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica, die alle bekende deeltjes en hun interacties beschrijft, quarks moeten oneindig klein zijn. Als dat niet verbijsterend genoeg is, donkere quarks binnengaan - hypothetische deeltjes die zijn voorgesteld om donkere materie te verklaren, een onzichtbare vorm van materie die het heelal vult en de Melkweg en andere sterrenstelsels bij elkaar houdt.

In een recente studie, de CMS-samenwerking beschrijft hoe het gegevens van de Large Hadron Collider (LHC) heeft doorzocht om donkere quarks te spotten. Hoewel de zoektocht met lege handen kwam, het stelde het team in staat dichter bij de ouderdeeltjes te komen waaruit donkere quarks kunnen ontstaan.

Een overtuigende theorie breidt het standaardmodel uit om uit te leggen waarom de waargenomen massadichtheid van normale materie en donkere materie vergelijkbaar is. Het doet dit door het bestaan ​​van donkere quarks aan te halen die via een mediatordeeltje interageren met gewone quarks. Als dergelijke mediatordeeltjes in paren werden geproduceerd in een proton-protonbotsing, elk mediatordeeltje van het paar zou transformeren in een normale quark en een donkere quark, die beide een spray zouden produceren, of "jet", van deeltjes genaamd hadronen, samengesteld uit quarks of donkere quarks. In totaal, er zouden twee jets van regelmatige hadronen zijn afkomstig van het aanvaringspunt, en twee "opkomende" jets die op een afstand van het botsingspunt zouden verschijnen omdat donkere hadronen enige tijd nodig zouden hebben om in zichtbare deeltjes te vervallen.

In hun studie hebben de CMS-onderzoekers keken door gegevens van proton-protonbotsingen verzameld bij de LHC met een energie van 13 TeV om te zoeken naar instanties, of "evenementen", waarin dergelijke mediatordeeltjes en bijbehorende opkomende jets kunnen voorkomen. Ze gebruikten twee onderscheidende kenmerken om opkomende jets te identificeren en ze te selecteren uit een achtergrond van gebeurtenissen waarvan wordt verwacht dat ze hun eigenschappen nabootsen.

Het team vond geen sterk bewijs voor het bestaan ​​van dergelijke opkomende jets, maar dankzij de gegevens konden ze massa's uitsluiten voor het hypothetische mediatordeeltje van 400-1250 GeV voor donkere pionen die een lengte tussen 5 en 225 mm afleggen voordat ze vervallen. De resultaten zijn de eerste van een toegewijde zoektocht naar dergelijke mediatordeeltjes en jets.