Zichtbare materie - alles van stuifmeel tot sterren en sterrenstelsels - is goed voor ongeveer 15% van de totale massa van het universum. De overige 85% is gemaakt van iets heel anders dan dingen die we kunnen aanraken en zien:donkere materie. Ondanks overweldigend bewijs van de waarneming van zwaartekrachtseffecten, de aard van donkere materie en de samenstelling ervan blijven onbekend.

Hoe kunnen natuurkundigen donkere materie bestuderen die verder gaat dan zwaartekrachteffecten als deze praktisch onzichtbaar is? Onderzoekers volgen drie benaderingen:

• indirecte detectie met astronomische observatoria op zoek naar de vervalproducten van de vernietiging van donkere materie in galactische centra
• directe detectie met zeer gevoelige experimenten met een lage achtergrond op zoek naar verstrooiing van donkere materie van kernen
• donkere materie creëren in de gecontroleerde laboratoriumomgeving van de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN.

Hoewel succesvol in het beschrijven van elementaire deeltjes en hun interacties bij lage energieën, het standaardmodel van deeltjesfysica omvat geen levensvatbaar donkere-materiedeeltje. De enige mogelijke kandidaten, neutrino's, niet de juiste eigenschappen hebben om de waargenomen donkere materie te verklaren. Om dit probleem te verhelpen, een eenvoudige theoretische uitbreiding van het standaardmodel stelt dat bestaande deeltjes, zoals het Higgs-deeltje, fungeren als een "portaal" tussen bekende deeltjes en donkere materiedeeltjes. Omdat het Higgs-deeltje aan massa koppelt, massieve donkere-materiedeeltjes zouden ermee moeten interageren. Het Higgs-deeltje heeft nog steeds grote onzekerheden in verband met de sterkte van zijn interactie met standaardmodeldeeltjes; tot 30% van het verval van het Higgs-boson kan potentieel onzichtbaar zijn, volgens de laatste gecombineerde Higgs-boson metingen van ATLAS.

Kunnen sommige van de Higgs-bosonen vervallen tot donkere materie? Omdat donkere materie geen directe interactie heeft met de ATLAS-detector, natuurkundigen zoeken naar tekenen van "onzichtbare deeltjes, " afgeleid door impulsbehoud van de proton-protonbotsingsproducten. Volgens het standaardmodel, de fractie van Higgs-bosonen die vervalt tot een onzichtbare eindtoestand (vier neutrino's!) is goed voor slechts 0,1% en is dus verwaarloosbaar. Mochten dergelijke gebeurtenissen worden waargenomen, het zou een directe indicatie zijn van nieuwe fysica en mogelijk bewijs dat Higgs-bosonen vervallen tot donkere materiedeeltjes.

Bij de LHC, het meest gevoelige kanaal om te zoeken naar direct verval van het Higgs-deeltje naar onzichtbare deeltjes is via de zogenaamde vectorbosonfusie (VBF)-productie van het Higgs-deeltje. De productie van VBF Higgs-boson resulteert in twee verstuivingen van deeltjes ("jets") die in een meer voorwaartse richting in de ATLAS-detector wijzen. Dit, gecombineerd met een groot ontbrekend momentum in loodrechte richting ("dwars") op de bundelas van de onzichtbare donkere materiedeeltjes, creëert een unieke signatuur waar ATLAS-fysici naar kunnen zoeken.

De ATLAS-samenwerking heeft de volledige LHC Run 2-dataset bestudeerd, verzameld door de detector in 2015-2018, om te zoeken naar verval van het Higgs-boson tot donkere materiedeeltjes in VBF-gebeurtenissen. In de analyse werd geen significante overmaat aan gebeurtenissen boven de verwachte achtergrond van bekende standaardmodelprocessen gevonden. ATLAS afgeleid, met een betrouwbaarheidsniveau van 95%, een uitsluitingsgrens van het Higgs-bosonverval tot onzichtbare deeltjes van 13%. Deze analyse omvatte ongeveer 75% meer gegevens dan de vorige ATLAS-zoekopdracht, en het team heeft verschillende verbeteringen doorgevoerd, waaronder:

• Snellere filteralgoritmen om meer gesimuleerde botsingen te genereren met gelijkwaardige rekenkracht. Het ontbreken van gesimuleerde gebeurtenissen was de grootste onzekerheid in de eerste 13 TeV-versie van deze analyse.
• Geoptimaliseerde botsingsselectie om ~50% meer Higgs-bosongebeurtenissen op dezelfde dataset te accepteren.
• Verfijnde gebeurteniscategorisatie om te resulteren in een hogere signaal-tot-achtergrondverhouding in de zoekregio's. Dit is te zien in figuur 1 als de rode curve in het onderste paneel toeneemt met een hogere invariante massa van de twee voorste jets (m _jj ).
• Verbeterde acceptatie voor botsingen verrijkt in achtergrondprocessen, waardoor de analisten de modellering van het achtergrondproces kunnen verbeteren.

Deze waargenomen uitsluiting is consistent met geen tekenen van verval van het Higgs-deeltje tot donkere materie. De nieuwe resultaten bevorderen de zoektocht naar zwak interagerende massieve deeltjes (WIMP's), een populaire kandidaat voor donkere materie. ATLAS heeft aanvullende uitsluitingslimieten ingesteld voor lagere WIMP-massa's, die worden vergeleken met andere directe-detectie-experimenten in figuur 2. Deze limieten zijn concurrerend met de beste directe-detectie-experimenten voor WIMP-massa's tot de helft van de Higgs-bosonmassa, ervan uitgaande dat het Higgs-deeltje rechtstreeks interageert met donkere materie.

Deze nieuwe analyse plaatst de sterkste bestaande limieten voor het verval van het Higgs-deeltje tot onzichtbare deeltjes tot nu toe. Naarmate de zoektocht vordert, natuurkundigen zullen de gevoeligheid voor deze fundamentele sonde van donkere materie blijven vergroten.