Ils savent qu'elle existe, mais ils ne savent pas de quoi elle est faite : voilà à peu près tout ce que les scientifiques savent de la matière noire. La connaissance qu'ils en ont provient de leurs observations de l'Univers, qui indiquent que la masse de la matière invisible est environ cinq à six fois supérieure à celle de la matière visible.

L’une des théories envisagées postule que la matière noire est composée de particules noires qui interagissent les unes avec les autres par l'intermédiaire d'une particule médiatrice appelée « photon noir », par analogie avec le photon ordinaire qui agit comme médiateur entre des particules électriquement chargées. Un photon noir n'interagirait que faiblement avec les particules connues décrites par le Modèle standard de la physique des particules, et notamment avec le boson de Higgs.

Lors de la conférence LHCP (Large Hadron Collider Physics), qui s'est tenue du 20 au 26 mai à Puebla, au Mexique, la collaboration CMS a fait part des résultats les plus récents sur sa recherche de photons noirs.

La collaboration a utilisé un volume important de données sur les collisions proton-proton, enregistrées pendant la deuxième exploitation du Grand collisionneur de hadrons, pour rechercher des collisions où le boson de Higgs se serait transformé, ou « désintégré », en un photon et un photon noir dépourvu de masse. Les chercheurs se sont concentrés sur les collisions ayant produit simultanément un boson de Higgs et un boson Z, lequel se désintègre en électrons ou en leurs cousins plus lourds, appelés muons.

Les désintégrations recherchées sont censées être extrêmement rares, et il faut pour les repérer supposer la présence d'un éventuel photon noir, que les détecteurs de particules ne peuvent pas observer. Pour ce faire, les chercheurs additionnent les impulsions des particules détectées dans la direction transversale, c'est-à-dire perpendiculairement aux faisceaux de protons entrant en collision, et déterminent l'impulsion manquante nécessaire pour atteindre une valeur totale de zéro ; une impulsion transversale manquante indique la présence d'une particule non détectée.

Une étape supplémentaire est toutefois nécessaire pour distinguer un éventuel photon noir d'une particule connue : il faut pour cela estimer la masse de la particule qui se désintègre en un photon détecté et en une particule non détectée. Si l'impulsion transversale manquante est portée par un photon noir produit par la désintégration d'un boson de Higgs, la masse manquante devrait correspondre à celle du boson de Higgs.

La collaboration CMS, qui a procédé de cette manière, n'a cependant trouvé aucune trace de photons noirs. Elle a toutefois déterminé les limites supérieures de la probabilité qu'un signal de ces photons noirs soit observé.

S'agit-il encore d'un résultat nul ? Oui, mais si de tels résultats, tout comme ceux qu'ATLAS a présentés à Puebla sur la supersymétrie, ne signifient pas la découverte de nouvelles particules et n'excluent pas non plus leur existence, ils contribuent en revanche à donner une direction aux travaux futurs, tant expérimentaux que théoriques.

Pour plus de détails sur ce résultat, voir le site web de CMS.