Les expériences ont confirmé à maintes reprises le Modèle standard de la physique des particules. Mais le Modèle standard est incomplet. En effet, il ne peut pas rendre compte, par exemple, de la matière noire, ou de la faible masse du boson de Higgs, ni expliquer pourquoi les forces agissant entre les particules ne s'unifient pas à des énergies élevées. Or, si on émet l’hypothèse que chaque particule possède un « superpartenaire », ces trois questions pourraient être résolues. Si de telles particules superpartenaires, prédites par une extension du Modèle standard appelée supersymétrie, existent et ne sont pas trop massives, elles pourraient être révélées par l’étude des données des collisions de protons enregistrées par les expériences menées au Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Lors de la conférence LHCP (Large Hadron Collider Physics), qui s'est tenue du 20 au 25 mai à Puebla, au Mexique, la collaboration ATLAS a rendu compte de nouvelles recherches concernant trois de ces superpartenaires dans des régions inexplorées de la gamme des masses.

Le Modèle standard classe les particules en fermions et bosons, selon une de leurs propriétés connue sous le nom de « spin », qui peut être vu comme la rotation d'un système autour de son axe. Les fermions, qui constituent la matière, ont tous un spin d'une demi-unité, alors que les bosons, qui portent les forces, ont un spin de 0, 1 ou 2 unités.

La supersymétrie prédit que chaque fermion et chaque boson du Modèle standard possède un superpartenaire avec un spin qui diffère d'une demi-unité, ce qui signifie que les bosons sont assortis de fermions superpartenaires et vice versa. Ainsi, par exemple, le superpartenaire d'un électron s'appelle un sélectron et celui d'un boson de Higgs un higgsino (les superpartenaires des bosons sont suivis du suffixe « -ino » alors que ceux des fermions sont précédés du préfixe « s- ».
 
Lors de ses dernières études sur la supersymétrie, la collaboration ATLAS a passé au crible l'ensemble des données des collisions proton-proton enregistrées par l'expérience pendant la deuxième période d'exploitation du LHC, qui s’est déroulée de 2015 à 2018, à la recherche d'indices indiquant la présence de staus et de higgsinos ; le stau est le superpartenaire du tau, une version plus lourde de l'électron. Comme ces particules superpartenaires sont censées être instables et produites en très petites quantités au LHC, l'équipe ATLAS essaie de les découvrir en traquant les particules qui sont le produit de leur transformation, ou « désintégration ».

Dans sa quête des taus, ATLAS a cherché des paires de staus se désintégrant chacun en un tau et en une hypothétique « particule supersymétrique la plus légère », qui serait « invisible » et pourrait être constituée de matière noire. Chaque tau continue ensuite à se désintégrer en particules composites appelées hadrons et en un neutrino invisible. Les particules invisibles sont détectées en identifiant l'impulsion manquante lors des collisions : si l'impulsion combinée des particules produites lors d'une collision proton-proton ne correspond pas à celle des deux protons incidents, on peut en déduire qu'une particule invisible a emporté avec elle l'impulsion manquante.

La collaboration a exploré un éventail sans précédent de masses possibles pour le stau, mais n'a trouvé aucun signe de ce superpartenaire dans les données. Elle a cependant réussi à resserrer encore davantage les limites de la masse du stau.

Pendant ce temps, la recherche de higgsinos s'est concentrée sur la transformation de ces particules en paires d'électrons ou de muons à très faible impulsion. (Tout comme le tau, le muon est une version plus lourde de l'électron). Il est très difficile d'observer des particules ayant une impulsion aussi faible, mais la collaboration a réussi à améliorer la sensibilité de la détection, identifiant des muons ayant la plus faible impulsion jamais mesurée par ATLAS. Tout comme celle des staus, cette recherche n'a révélé aucun signe de higgsinos ; cependant, grâce à ces travaux, les limites de masse de ces hypothétiques particules ont pu être déterminées plus sûrement qu’avec les résultats obtenus auparavant par ATLAS et par le prédécesseur du LHC, le Grand collisionneur électron-positon (LEP).

Pour en savoir plus sur ces études et les nouvelles limites de masse obtenues, veuillez consulter le site web d'ATLAS.