Un comportement inattendu sur une désintégration de particule semble ne pas coller aux prédictions du Modèle standard, pourtant très fiable. Elle pourrait trahir l'existence de forces ou de particules encore inconnues, au-delà de notre savoir actuel.
Les mésons B sont instables: ils ne vivent qu'une fraction de seconde avant de se transformer en d'autres particules. En étudiant ces transformations, les chercheurs espèrent détecter l'influence de forces ou de particules nouvelles que le Modèle standard ignore.
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L'expérience LHCb au LHC est spécialement conçue pour capturer ces désintégrations rares, en enregistrant des milliards de collisions pour trouver les quelques événements où se produisent les désintégrations "pingouin". Dans ces cas, le méson B se transforme en un kaon, un pion et deux muons – une signature à la fois rare et riche en informations. Les angles selon lesquels ces particules filles s'éloignent les unes des autres sont autant d'indices sur la physique sous-jacente.
Pour mener ces investigations, le LHC accélère des protons à une vitesse proche de celle de la lumière et les fait s'entrechoquer. Parmi les détecteurs, LHCb fonctionne depuis 1994. Entre 2011 et 2018, l'expérience a enregistré 650 milliards de désintégrations de mésons B, dont les scientifiques ont extrait les rares événements de type pingouin.
L'analyse s'est concentrée sur un processus électrofaible où un méson B se transforme en kaon, pion et deux muons – une désintégration qui ne se produit qu'une fois par million de mésons B. En mesurant précisément les angles et les énergies des particules produites, l'équipe a constaté un désaccord clair avec les prédictions du Modèle standard.
L'écart mesuré par rapport au Modèle standard atteint quatre déviations standard. En pratique, il n'y a qu'une probabilité sur 16 000 que ce résultat soit dû au hasard si le Modèle standard est correct. Les résultats, publiés dans
Physical Review Letters, sont cohérents avec ceux obtenus indépendamment par une autre expérience du LHC, CMS. Bien que le seuil dit "des cinq sigma" ne soit pas encore atteint, ce qui validerait une découverte scientifique, les preuves combinées sont déjà convaincantes.
Au LHC, des aimants courbent les protons sur un anneau de 27 km, construit sous la frontière franco-suisse. Credit: Cern
Plusieurs modèles théoriques pourraient expliquer l'anomalie. Une idée populaire fait intervenir les leptoquarks, des particules hypothétiques qui font le pont entre les leptons et les quarks – les deux familles de matière. Une autre possibilité est l'existence de versions plus massives de particules connues. Les nouvelles données contraignent déjà ces modèles et guideront les recherches futures.
La collaboration LHCb a déjà entrepris l'analyse de nouvelles données collectées depuis 2018. Cet ensemble contient trois fois plus de désintégrations de mésons B que l'échantillon précédent, offrant un outil puissant pour vérifier l'anomalie. Les premières analyses sont en cours, et les résultats sont attendus dans les prochaines années.
En parallèle, les physiciens affinent les calculs théoriques pour mieux comprendre la contribution des pingouins charmants. Si l'écart persiste ou s'accentue, cela renforcera l'hypothèse d'une physique au-delà du Modèle standard.
En regardant plus loin, les améliorations du LHC dans les années 2030 augmenteront considérablement le taux de collisions. L'expérience LHCb prévoit de collecter un ensemble de données 15 fois plus grand que celui utilisé dans l'étude actuelle. Avec une telle statistique, la sensibilité sera suffisante pour atteindre une signification de cinq sigma, le seuil d'une découverte. Si l'anomalie se confirme, une nouvelle ère s'ouvrira dans notre compréhension de l'infiniment petit.