Une étude, dont les résultats intitulés «Dark matter search in missing energy events with NA64» sont disponibles en pdf, décrit les moyens que la collaboration à l'origine de l'expérience NA64 au CERN a employé pour tenter de détecter les photons noirs, des particules hypothétiques véhiculant une nouvelle force qui interviendrait dans les interactions des particules de matière noire entre elles et avec la matière visible.

Rappelons que, pour les scientifiques, c'est une quasi-certitude: la matière noire «fait tenir ensemble les galaxies de l'Univers». Cependant, ils «n'ont toujours pas réussi à observer directement la matière noire, ni les particules qui la composent»: en fait, sa présence est seulement décelée «grâce à la force gravitationnelle exercée par la matière noire sur la matière visible».

Comme, selon une hypothèse, «la matière noire serait constituée de particules qui interagissent entre elles et avec la matière visible par l'intermédiaire d'une nouvelle force», véhiculée par une particule dénommée photon noir, l'équipe de NA64 «s'est lancée à la recherche des photons noirs en s'appuyant sur la technique de l'énergie manquante».

Concrètement, «NA64 est une expérience à cible fixe : un faisceau de particules est envoyé sur une cible fixe, le but étant d'observer les particules et les phénomènes engendrés par les collisions entre ces particules et les noyaux atomiques de la cible». En fait, l'expérience «utilise un faisceau d'électrons porté à une énergie de 100 GeV, issu du Supersynchrotron à protons».

Dans le cadre de l'étude ici présentée la technique de l'énergie manquante consiste à supposer que «même si des photons noirs s'échappent du détecteur de NA64 sans être détectés, l'énergie qu'ils transportent pourrait être déterminée par l'analyse de l'énergie totale des collisions».

L'équipe NA64 a donc «examiné les données récoltées en 2016, 2017 et 2018, ce qui représente un total impressionnant de cent milliards d'électrons entrant en collision avec la cible». En fin de compte, «si aucune trace des photons noirs n'a été trouvée dans les données», l'analyse a «permis de fixer les limites les plus étroites à ce jour sur la force d'interaction entre un photon et un photon noir, pour une masse du photon noir comprise entre 1 MeV et 0,2 GeV».

Selon l'étude, «la force d'interaction entre un photon noir de 1 MeV et un électron serait au moins cent mille fois plus faible que la force électromagnétique portée par un photon», tandis que «dans le cas d'un photon noir de 0,2 GeV, cette force d'interaction serait au moins mille fois plus faible». Des limites «encore plus étroites grâce au détecteur amélioré, qui devrait être prêt en 2021» sont attendues.