Synlig materia – allt från pollen till stjärnor och galaxer – står för ungefär 15 % av universums totala massa. De återstående 85 % är gjorda av något helt annat än saker vi kan röra och se:mörk materia. Trots överväldigande bevis från observation av gravitationseffekter, mörk materias natur och dess sammansättning förblir okänd.

Hur kan fysiker studera mörk materia bortom gravitationseffekter om den är praktiskt taget osynlig? Forskare följer tre tillvägagångssätt:

• indirekt detektering med astronomiska observatorier som söker efter sönderfallsprodukter från förintelse av mörk materia i galaktiska centra
• direkt detektion med mycket känsliga experiment med låg bakgrund som letar efter mörk materia som sprider sig från kärnor
• skapa mörk materia i den kontrollerade laboratoriemiljön av Large Hadron Collider (LHC) vid CERN.

Även om de är framgångsrika med att beskriva elementarpartiklar och deras interaktioner vid låga energier, standardmodellen för partikelfysik inkluderar inte en livskraftig mörkmateriapartikel. De enda möjliga kandidaterna, neutriner, inte har de rätta egenskaperna för att förklara den observerade mörka materian. För att lösa detta problem, en enkel teoretisk förlängning av standardmodellen antyder att befintliga partiklar, såsom Higgs boson, fungera som en "portal" mellan kända partiklar och mörk materia partiklar. Sedan Higgs-bosonen parar sig till mässan, massiva partiklar av mörk materia bör interagera med den. Higgs-bosonen har fortfarande stora osäkerheter förknippade med styrkan i dess interaktion med standardmodellpartiklar; upp till 30 % av Higgs-bosons sönderfall kan potentiellt vara osynliga, enligt de senaste ATLAS kombinerade Higgs-boson-mätningarna.

Kan några av Higgs-bosonerna förfalla till mörk materia? Eftersom mörk materia inte interagerar direkt med ATLAS-detektorn, fysiker letar efter tecken på "osynliga partiklar, " slutsats genom momentumbevarande av proton-protonkollisionsprodukterna. Enligt standardmodellen, andelen Higgs-bosoner som sönderfaller till ett osynligt sluttillstånd (fyra neutrinos!) står för bara 0,1 % och är således försumbar. Skulle sådana händelser observeras, det skulle vara en direkt indikation på ny fysik och potentiella bevis på att Higgs-bosoner sönderfaller till partiklar av mörk materia.

På LHC, den mest känsliga kanalen för att söka efter direkta sönderfall av Higgs-bosonen till osynliga partiklar är via den så kallade vektorbosonfusionsproduktionen (VBF) av Higgs-bosonen. VBF Higgs-boson-produktion resulterar i två sprayer av partiklar (kallade "jets") som pekar i en mer framåtriktad riktning i ATLAS-detektorn. Detta, kombinerat med en stor saknad rörelsemängd i vinkelrät riktning ("tvärgående") mot strålaxeln från de osynliga mörka materiepartiklarna, skapar en unik signatur som ATLAS-fysiker kan söka efter.

ATLAS Collaboration har studerat hela LHC Run 2-dataset, insamlade av detektorn 2015–2018, för att söka efter Higgs-boson-sönderfall till partiklar av mörk materia i VBF-händelser. Inget signifikant överskott av händelser över förväntad bakgrund från kända standardmodellprocesser hittades i analysen. ATLAS härledd, på en 95% konfidensnivå, en uteslutning bunden av Higgs-bosons sönderfall till osynliga partiklar på 13 %. Denna analys inkluderade ungefär 75 % mer data än den tidigare ATLAS-sökningen, och teamet implementerade flera förbättringar inklusive:

• Snabbare filtreringsalgoritmer för att generera fler simulerade kollisioner med motsvarande beräkningskraft. Bristen på simulerade händelser var den främsta osäkerheten i den första 13 TeV-versionen av denna analys.
• Optimerat kollisionsval för att acceptera ~50 % fler Higgs-boson-händelser på samma datauppsättning.
• Förfinad händelsekategorisering för att resultera i ett högre signal-till-bakgrundsförhållande i sökregionerna. Detta kan ses i figur 1 när den röda kurvan i den nedre panelen ökar med högre invariant massa av de två ledande strålarna (m _jj ).
• Förbättrad acceptans för kollisioner berikade i bakgrundsprocesser, gör det möjligt för analytikerna att förbättra bakgrundsprocessmodelleringen.

Denna observerade uteslutning överensstämmer med inga tecken på att Higgs-bosonen förfaller till mörk materia. De nya resultaten främjar sökandet efter svagt interagerande massiva partiklar (WIMPs), en populär kandidat för mörk materia. ATLAS satte ytterligare uteslutningsgränser för lägre WIMP-massor, som jämförs med andra direktdetekteringsexperiment i figur 2. Dessa gränser är konkurrenskraftiga med de bästa direktdetekteringsexperimenten för WIMP-massor upp till hälften av Higgs-bosonmassan, antar att Higgs-bosonen interagerar direkt med mörk materia.

Denna nya analys sätter de starkaste befintliga gränserna för Higgs-bosonens sönderfall till osynliga partiklar hittills. Allt eftersom sökandet fortsätter, fysiker kommer att fortsätta att öka känsligheten för denna grundläggande sond av mörk materia.