Situées dans la zone Nord du CERN, les expériences NA64 et NA62, qui reçoivent des faisceaux en provenance du Supersynchrotron à protons (SPS), procèdent à des études de recherche de la matière noire qui viennent compléter les recherches menées au LHC, dans une gamme d’énergies différente. Les deux expériences ont récemment publié de nouveaux résultats.

La matière noire ne semble pas interagir avec notre monde visible alors même qu'elle constitue une grande partie de notre Univers. Les scientifiques considèrent que le secteur noir interagit avec le Modèle standard par l’intermédiaire de médiateurs. Ces médiateurs pourraient être, par exemple, un photon noir, un boson scalaire noir et un axion, qui seraient détectés par la manière dont ils interagissent avec les particules du Modèle standard.

L’expérience NA62, initialement mise en place pour étudier la désintégration extrêmement rare du kaon en un pion chargé et deux neutrinos, s’est également intéressée aux éventuelles contributions des particules de matière noire à une autre désintégration rare du kaon. L’équipe de recherche a utilisé un faisceau composé principalement de pions et de kaons produit par un faisceau de protons de 400 GeV/c, en provenance du SPS, envoyé sur une cible en béryllium. Elle s’est intéressée tout particulièrement à une désintégration du kaon produisant un pion et une paire de photons, se désintégrant à leur tour en deux paires électron-positon, dans la mesure où la désintégration des bosons noirs devrait aboutir aux mêmes états finaux que celle des photons du Modèle standard. L'équipe n’a pas pu trouver d’indices probants d'une telle désintégration, ni de la présence du boson noir, mais l'analyse des données collectées en 2017 et en 2018 a permis de fixer les limites supérieures les plus restrictives à ce jour. En outre, l'équipe a pu exclure les axions comme explication possible pour l’anomalie de 17 MeV/c² détectée par ATOMKI et ainsi confirmer les résultats obtenus précédemment par l'expérience NA64.

La collaboration NA64 est à la recherche de particules de matière noire légères et invisibles qui interagiraient avec le Modèle standard via un hypothétique photon noir. Grâce à l'analyse de données de collisions d'électrons collectées entre 2016 et 2022, l’équivalent de l'impact de 9,4 x 10¹¹ électrons sur la cible, la collaboration a commencé à explorer, pour la première fois, une partie très prometteuse de l'espace des paramètres prédit par deux modèles de référence de la matière noire. Leurs données excluent les principaux candidats de la matière noire en-deçà du GeV impliquant un couplage entre les particules de matière noire et les photons noirs pour une gamme de masses de particules du secteur noir, ce qui permet d’exclure les deux modèles. Pour obtenir ces résultats, l'expérience NA64 a utilisé un faisceau d'électrons de 100 GeV/c issu de l’interaction entre des protons et une cible fixe. La collaboration s'est servie d'un absorbeur de faisceau actif pour tenter de reconstruire l'hypothétique photon noir en détectant, d’une part, des paires électron-positon visibles et, d’autre part, l'énergie « manquante » provenant de désintégrations invisibles.

• [SPS] https://home.cern/fr/science/accelerators/super-proton-synchrotron
• [MS] https://home.cern/fr/science/physics/standard-model
• [NA62] https://home.cern/fr/science/experiments/na62
• [NA64] https://home.cern/fr/science/experiments/na64
• [MN] https://home.cern/fr/science/physics/dark-matter
• [papierNA62] https://arxiv.org/pdf/2307.04579.pdf (en anglais)
• [PapierNA64] https://arxiv.org/pdf/2307.02404.pdf
• [Atomki] https://home.cern/fr/news/news/physics/plot-thickens-hypothetical-x17-particle