Aínda que o Modelo Estándar ten tido moito éxito na explicación e predicción de fenómenos experimentais, sábese que non pode ser a teoría definitiva da Física de Partículas dado que non da resposta a moitas cuestións de gran importancia.

Así, se as forzas e partículas hoxe propostas é todo o que hai, deberían todas esas partículas viaxar á velocidade da luz, pero non é iso o observado. Para "relantecelas" precísase o campo de Higgs, que foi finalmente atopado en 2013 a partir dos datos dos detectores ATLAS e CMS do LHC.

Non inclúe a forza da gravidade e non abrangue á Teoría Xeral da Relatividade.

Ademais, os físicos saben hoxe que o 96 % do universo non está feito da materia que nos coñecemos, e isto non encaixa no Modelo Estándar.

Como extender o Modelo Estándar para contemplar estes problemos son cuestións abertas que deben comezar a ser respondidas cos datos dos experimentos no LHC.

Como xa indicamos ao comezo desta apartado, o Modelo Estándar non pode ser a teoría final da Física de Partículas. Existen diversos modelos teóricos que evaden as limitacións do Modelo Estándar, e o seu estudo é un dos obxectivos dos experimentos (detectores) do LHC.

Durante décadas as chamadas teorías de Supersimetría (SUSY) apareceron como tentativas de solución ás limitacións do Modelo Estándar. A idea esencial era que para cada tipo de partícula habería outra asociada -supercompañeira- de gran masa. Trátase dunha réplica en forma de bosón se a partículas "normal" é un fermión e viceversa.

Actualmente, o relevo destas teorías de  Supersimetría foi tomado por modelos que involucran "sectores escuros”, que inclúen partículas que apenas se relacionan coas súas compañeiras do Modelo Estándar, o que fai a súa detección moi complexa.

Existen moitas variantes de modelos con sectores escuros, e cada una delas predí fenomenoloxías diferentes. Un exemplo é o de partículas “de longa vida”, que poden voar distancias macroscópicas antes de se desintegrar. Podemos xeneralizar sinalando que para atopar estas partículas faise preciso ou ben acumular moitas colisións, dado que producen de xeito moi infrecuente, ou acadar enerxías de colisión moi grandes, dado que a súa masa é moito maior que a das partículas ata agora coñecidas.

Unha das vantaxes destes modelos con sectores escuros e que, tipicamente, inclúen partículas neutras, masivas, e que case non interaccionan. Este tipo de partículas son candidatas excelentes a materia escura. Este, xunto con outros motivos de tipo teórico máis formal, fan este tipo de modelos tremendamente atractivos.

Neste sector escuro da Física de Partículas poderíamos ter un bosón de Higgs escuro homólogo. De igual maneira có bosón de Higgs normal, esta partícula estaría conectada ao mecanismo que dá masa ás partículas do sector escuro.

A enerxía dispoñible actualmente nas colisións protón-protón no LHC pode ser suficiente para producir esta clase de partículas segundo este tipo de modelos teóricos. Tres dos experimentos máis grandes do LHC (ATLAS, CMS e LHCb) teñen un programa moi extenso de busca de partículas de sectores escuros, deseñado para, nocaso de que estas teorías sexan correctas, detectar o seu sinal.

(Tomado de https://cms.cern/news/searching-dark-side-universe)

Na imaxe temos unha visualización dun evento dunha colisión de partículas rexistrada no detector CMS, ocorrendo a colisión inicial de dous protóns, que veñen en sentidos contrarios, no centro da imaxe. Como resultado créanse un par de leptóns cargados de alta enerxía (un muón en vermello e un electrón en verde no lado esquerdo da imaxe), aparecendo un desequilibrio significativo do momento transversal (frecha rosa no lado dereito da imaxe), que apuntaría na dirección na que poderían ter ido as partículas de materia escura non detectadas.

The Search for Hidden Particles (SHiP) experiment.

Tomado de ShiP Website

SHiP e a instalación asociada SPS Beam Dump Facility é un novo experimento de propósito xeral que se está preparando no acelerador SPS do CERN para buscar partículas "escuras" tal e como predín un gran número de modelos de Sectores Escuros quen de explicar, por exemplo, a materia escura, as oscilacións de neutrinos e a orixe da asimetría de bariones no Universo. O experimento está deseñado para buscar calquera tipo de partículas de longa vida e debilmente interactivas, entre as que se atopan, por exemplo, leptones neutros pesados, fotóns escuros, escalares escuros, partículas similares a axiones e partículas supersimétricas lixeiras, etc., así como diferentes tipos de materia escura lixeira.

A alta intensidade do SPS e, en particular, a gran produción de mesóns charme e fotóns co feixe de protóns de 400 GeV permiten unha procura exhaustiva na escala MeV-GeV en moitas ordes de magnitude de axuste. O detector incorpora dous aparellos complementarios destinados a buscar partículas ocultas tanto a través de desintegracións visibles como a través de firmas de dispersión procedentes do retroceso de electróns ou núcleos. Ademais, a instalación é idónea para estudar as interaccións dos neutrinos tau.

Ver máis…

 O experimento MADMAX do CERN sondea candidatos a materia escura.

Os axións son unhas partículas que algúns físicos teóricos predín que podan explicar por qué existe unha sutil diferenza entre materia e antimateria nos procesos nos que intervéne a forza débil, pero non a forza forte. Se os axións existen, poderían encontrarse no centro do Sol e tamén poderían constituír a materia escura invisible.

Na última década, os físicos teñen explorado varios enfoques experimentais, como o CERN Axion Solar Telescope, para buscar axións. De momento, ningún experimento logrou atopalos.

MADMAX (Magnetized Disk and Mirror Axion experiment) é unha colaboración relativamente recente que comenzou en 2017. Desde 2020, o CERN ten proporcionado o Morpurgo magnet ao experimento durante as paradas técnicas, cando o feixe do SPS está fóra de servicio. MADMAX benefíciase dunha forte participación de todo o CERN para crioxenia, imáns, convertidores de enerxía eléctrica e seguridade e operacións. É un dos poucos experimentos do CERN que se adapta ben ás probas independentes do tempo do deixe, xa que no require un feixe de partículas dun acelerador.

O descubrimento dos axións tería profundas implicacións para a comprensión tanto da física de partículas como da cosmoloxía. En primiero lugar, validaría a existencia dunha nova partícula predita polos teóricos hai máis de 40 anos, confirmando a correcta comprensión das forzas fundamentais do Universo. En segundo lugar, dado que os axións se consideran un dos principais candidatos a materia escura, o seu descubrimento podería proporcionar unha explicación directa desta sustancia que constitúe unha parte significativa do Universo.

Búsqueda de sectores escuros realizada no experimento NA64 do CERN.

O experimento NA64 comezou a funcionar na Área Norte do SPS do CERN en 2016. O seu obxectivo é buscar partículas descoñecidas do hipotético "sector escuro".
Este experimento emprega un feixe de muóns de alta enerxía e unha técnica de enerxía-momento perdida. Os múons da líña do feixe M2 do Super Proton Synchrotron (SPS) do CERN cun momento de 160 GeV/𝑐 son dirixidos contra un un blanco activo.

NA64 Experiment (Imaxe CERN)

NA64 atópase entre os primeiros experimentos que buscan sectores escuros débilmente acoplados a muóns. Os experimentadores confían en cubrir o espazo de parámetros dispoñible no futuro utilizando maiores intensidades do feixe.

Ver máis...

Ademáis dos experimentos en aceleradores de partículas, hai outras propostas para detectar a materia escura baseadas no estudo da  materia escura galáctica, pero traemos aquí un intento diferente realizados polos Físicos do Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC (EEUU). Propoñen unha nova maneira de buscar materia escura utilizando dispositivos cuánticos, que poderían sintonizarse de xeito natural para detectar o que os investigadores denominan materia escura "termalizada".

Ver máis...