Des physiciens de la collaboration LHCb (Large Hadron Collider beauty) du CERN ont effectué de nouveaux tests de l’universalité des leptons, l’un des principes de base du modèle standard de la physique des particules. Ce principe stipule que le Modèle standard traite les trois leptons chargés – électrons, muons et taons – de manière identique, à l’exception des différences dues à leurs différentes masses. Les nouvelles mesures présentent le même schéma cohérent d’écarts par rapport à l’universalité des leptons que celui observé dans les résultats précédents de la collaboration LHCb.
La désintégration d’un méson B0 en un K0 et une paire électron-positon dans le détecteur LHCb, qui est utilisé pour un test sensible de l’universalité des leptons dans le modèle standard. Crédit image : CERN.
Le modèle standard décrit toutes les particules connues qui composent l’Univers et les forces par lesquelles elles interagissent.
Il a passé tous les tests expérimentaux à ce jour, et pourtant les physiciens savent qu’il doit être incomplet.
Elle n’inclut pas la force de gravité et ne peut pas non plus expliquer comment la matière a été produite lors du Big Bang.
Elle ne contient pas non plus de particule qui pourrait expliquer la mystérieuse matière noire.
Par conséquent, les physiciens sont depuis longtemps à la recherche de signes de physique au-delà du modèle standard qui pourraient nous aider à résoudre certains de ces mystères.
L’une des meilleures façons de rechercher de nouvelles particules et forces est d’étudier des particules connues sous le nom de quarks de beauté.
Ce sont des cousins exotiques des quarks up et down qui composent le noyau de chaque atome.
Les quarks de beauté n’existent pas en grand nombre dans le monde car ils ont une durée de vie incroyablement courte – ils ne survivent en moyenne qu’un trillionième de seconde avant de se transformer ou de se désintégrer en d’autres particules.
Cependant, des milliards de quarks de beauté sont produits chaque année par le Grand collisionneur de hadrons du CERN et sont enregistrés par un détecteur spécialement conçu à cet effet, appelé LHCb.
La façon dont les quarks de beauté se désintègrent peut être influencée par l’existence de forces ou de particules non découvertes.
En mars, la collaboration LHCb a publié des résultats montrant que les quarks de beauté se désintègrent moins souvent en particules appelées muons qu’en leurs cousins plus légers, les électrons.
Ce phénomène est impossible à expliquer dans le modèle standard, qui traite les électrons et les muons de manière identique, hormis le fait que les électrons sont environ 200 fois plus légers que les muons.
Par conséquent, les quarks de beauté devraient se désintégrer en muons et en électrons à des taux égaux.
Au lieu de cela, les physiciens du LHCb ont constaté que la désintégration en muons ne se produisait qu’à environ 85 % de la fréquence de désintégration en électrons.
La différence entre le résultat du LHCb et le modèle standard était d’environ trois unités d’erreur expérimentale, ou “3 sigma” comme on l’appelle en physique des particules. Cela signifie qu’il n’y a qu’une chance sur mille que le résultat soit dû à un hasard statistique.
En supposant que le résultat soit correct, l’explication la plus probable est qu’une nouvelle force qui tire sur les électrons et les muons avec des forces différentes interfère avec la façon dont ces quarks de beauté se désintègrent. Cependant, pour être sûr que l’effet est réel, il faut davantage de données pour réduire l’erreur expérimentale.
Ce n’est que lorsqu’un résultat atteint le seuil de “5 sigma”, c’est-à-dire lorsqu’il y a moins d’une chance sur un million qu’il soit dû au hasard, que les physiciens des particules commencent à le considérer comme une véritable découverte.
“Le fait que nous ayons observé le même effet que nos collègues en mars augmente certainement les chances que nous soyons réellement sur le point de découvrir quelque chose de nouveau. C’est formidable de jeter un peu plus de lumière sur cette énigme”, a déclaré le Dr Harry Cliff, physicien au Cavendish Laboratory.
Le nouveau résultat a examiné deux nouvelles désintégrations de quark de beauté de la même famille de désintégrations que celle utilisée dans le résultat précédent.
L’équipe a trouvé le même effet – les désintégrations du muon ne se produisaient qu’environ 70% de la fréquence des désintégrations de l’électron.
“L’excitation au Grand collisionneur de hadrons augmente au moment même où le détecteur LHCb amélioré est sur le point d’être mis en marche et où de nouvelles données seront recueillies pour fournir les statistiques nécessaires pour affirmer ou réfuter une découverte majeure”, a déclaré le professeur Val Gibson, également du Cavendish Laboratory.
L’article de l’équipe sera publié dans la revue Physical Review Letters.
