Processus de désintégration impliquant les mésons êta et les protons, révélant des particules invisibles et de la matière générée par le vide.La désintégration en particules cachées désigne des processus hypothétiques où des particules connues, telles que les mésons êta ou les protons, se désintègrent en états finaux comprenant des particules invisibles — des particules qui interagissent si faiblement avec la matière ordinaire qu'elles échappent à la détection dans les détecteurs de particules. Ces particules invisibles sont souvent des candidats pour la matière noire, cette substance mystérieuse qui constitue environ 85 % de la masse de l'univers mais qui n'émet ni n'absorbe la lumière. L'étude de ces désintégrations constitue une stratégie expérimentale clé pour découvrir une physique au-delà du modèle standard, car toute déviation observée par rapport aux taux ou aux schémas de désintégration prédits pourrait signaler l'existence de nouvelles particules.
Le concept de produits de désintégration invisibles fait partie de la physique des particules depuis les années 1970, notamment avec la recherche des neutrinos, invisibles pour la plupart des détecteurs. La recherche moderne de candidats à la matière noire via les désintégrations en particules cachées a gagné en importance dans les années 2000 avec des modèles théoriques comme la supersymétrie et les dimensions supplémentaires.
En théorie quantique des champs, une particule peut se désintégrer en un ensemble de particules plus légères si la conservation de l'énergie et de l'impulsion le permet. Pour une désintégration en particules cachées, l'état final comprend au moins une particule qui n'interagit ni électromagnétiquement ni fortement, de sorte qu'elle ne laisse aucune trace dans un détecteur. Les physiciens en déduisent sa présence en mesurant l'énergie et l'impulsion manquantes dans la désintégration. Par exemple, dans une désintégration comme K+ → π+ + invisible, la particule invisible emporterait une quantité spécifique d'énergie, créant une signature distincte dans le détecteur. Les expériences recherchent de telles signatures dans des mesures de haute précision des désintégrations rares, souvent à l'aide de collisionneurs de particules ou d'installations dédiées de type « beam-dump ».
Cette recherche éclaire directement la conception des expériences de physique des particules de nouvelle génération, comme celles du Grand collisionneur de hadrons et des futurs collisionneurs proposés, et aide à contraindre les propriétés des candidats à la matière noire.
La désintégration d'un proton en particules invisibles est l'une des sondes les plus sensibles des théories de grande unification, et des expériences comme Super-Kamiokande ont établi des limites sur la durée de vie du proton dépassant 10^34 ans.
| V | variable | Potential energy — énergie potentielle joule |
| r | variable | Radial distance from source — distance metre |
| g | variable | Coupling strength (not a universal constant) joule metre |
| λ | variable | Screening length (range of interaction) — longueur metre |
| F | variable | value of the decaying quantity at position x — amplitude varies |
| F_0 | variable | initial value at x = 0 — amplitude varies |
| x | variable | independent variable (position, time, etc.) — position metre |
| α | variable | decay constant (rate of decay per unit x) — constante de désintégration per metre |
