Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a suscité l’enthousiasme du monde entier en mars alors que les physiciens des particules ont rapporté des preuves alléchantes d’une nouvelle physique – potentiellement une nouvelle force de la nature. Maintenant, notre nouveau résultat, encore à être examiné par les pairs, de CERNLe collisionneur de particules gargantuesque de semble apporter un soutien supplémentaire à l’idée.
Notre meilleure théorie actuelle des particules et des forces est connue sous le nom de modèle standard, qui décrit tout ce que nous savons sur les éléments physiques qui composent le monde qui nous entoure avec infaillible précision. Le modèle standard est sans aucun doute la théorie scientifique la plus réussie jamais écrite et pourtant, en même temps, nous savons qu’il doit être incomplet.
Célèbre, il décrit seulement trois des quatre forces fondamentales – la force électromagnétique et les forces fortes et faibles, en laissant de côté la gravité. Il n’a aucune explication pour la matière noire qui, selon l’astronomie, domine l’univers et ne peut pas expliquer comment la matière a survécu pendant le big bang. La plupart des physiciens sont donc convaincus qu’il doit encore y avoir d’autres ingrédients cosmiques à découvrir, et l’étude d’une variété de particules fondamentales connues sous le nom de quarks de beauté est un moyen particulièrement prometteur d’obtenir des indices sur ce qui pourrait exister.
Les quarks de beauté, parfois appelés quarks bottom, sont des particules fondamentales, qui à leur tour constituent des particules plus grosses. Il existe six saveurs de quarks qui sont doublées haut, bas, étrange, charme, beauté/fond et vérité/sommet. Les quarks up et down, par exemple, constituent les protons et les neutrons du noyau atomique.
L’expérience LHCb au CERN. Crédit : CERN
Les quarks de beauté sont instables, vivant en moyenne juste environ 1,5 billionième de seconde avant de se désintégrer en d’autres particules. La façon dont les quarks de beauté se désintègrent peut être fortement influencée par l’existence d’autres particules ou forces fondamentales. Lorsqu’un quark beauté se désintègre, il se transforme en un ensemble de particules plus légères, telles que des électrons, sous l’influence de la force faible. L’une des façons dont une nouvelle force de la nature pourrait se faire connaître est de modifier subtilement la fréquence à laquelle les quarks de beauté se désintègrent en différents types de particules.
L’article de mars était basé sur les données de l’expérience LHCb, l’un des quatre détecteurs de particules géants qui enregistrent le résultat des collisions à ultra haute énergie produites par le LHC. (Le « b » dans LHCb signifie « beauté ».) Il a découvert que les quarks de beauté se désintégraient en électrons et leurs cousins plus lourds appelés muons à des vitesses différentes. C’était vraiment surprenant car, selon le modèle standard, le muon est essentiellement une copie carbone de l’électron – identique en tous points, sauf qu’il est environ 200 fois plus lourd. Cela signifie que toutes les forces devraient tirer sur les électrons et les muons avec une force égale – lorsqu’un quark beauté se désintègre en électrons ou en muons via la force faible, il devrait le faire aussi souvent.
Au lieu de cela, mes collègues ont découvert que la désintégration du muon ne se produisait qu’environ 85 % aussi souvent que la désintégration des électrons. En supposant que le résultat soit correct, la seule façon d’expliquer un tel effet serait qu’une nouvelle force de la nature qui tire différemment sur les électrons et les muons interfère avec la façon dont les quarks de beauté se désintègrent.
Le résultat a provoqué une énorme excitation parmi les physiciens des particules. Nous cherchons depuis des décennies des signes de quelque chose au-delà du modèle standard, et malgré dix ans de travail au LHC, rien de concluant n’a été trouvé jusqu’à présent. Ainsi, découvrir une nouvelle force de la nature serait une affaire énorme et pourrait enfin ouvrir la porte à la réponse à certains des mystères les plus profonds auxquels la science moderne est confrontée.
Nouveaux résultats
Même si le résultat était alléchant, il n’était pas concluant. Toutes les mesures sont accompagnées d’un certain degré d’incertitude ou d’« erreur ». Dans ce cas, il n’y avait qu’environ une chance sur 1000 que le résultat soit dû à une oscillation statistique aléatoire – ou “trois sigma” comme on dit dans le jargon de la physique des particules.
Un sur 1 000 peut sembler peu, mais nous effectuons un très grand nombre de mesures en physique des particules et vous pouvez donc vous attendre à ce qu’une petite poignée génère des valeurs aberrantes par hasard. Pour être vraiment sûr que l’effet est réel, nous aurions besoin d’atteindre cinq sigma – correspondant à moins d’une chance sur un million que l’effet soit dû à un cruel coup statistique.
Pour y arriver, nous devons réduire la taille de l’erreur, et pour ce faire, nous avons besoin de plus de données. Une façon d’y parvenir est simplement d’exécuter l’expérience plus longtemps et d’enregistrer plus de désintégrations. L’expérience LHCb est actuellement en cours de mise à niveau pouvoir enregistrer les collisions à un rythme beaucoup plus élevé à l’avenir, ce qui nous permettra de faire des mesures beaucoup plus précises. Mais nous pouvons également obtenir des informations utiles à partir des données que nous avons déjà enregistrées en recherchant des types de désintégrations similaires qui sont plus difficiles à détecter.
C’est ce que mes collègues et moi avons fait. À proprement parler, nous n’étudions jamais directement les désintégrations des quarks de beauté, car tous les quarks sont toujours liés avec d’autres quarks pour former des particules plus grosses. L’étude de mars a examiné les quarks de beauté associés à des quarks « up ». Notre résultat a étudié deux désintégrations : une où les quarks de beauté étaient appariés avec des quarks « down » et une autre où ils étaient également appariés avec des quarks up. Le fait que l’appariement soit différent ne devrait cependant pas avoir d’importance – la décroissance qui se déroule en profondeur est la même et nous nous attendons donc à voir le même effet, s’il y a vraiment une nouvelle force là-bas.
Et c’est exactement ce que nous avons vu. Cette fois, les désintégrations des muons ne se produisaient qu’environ 70 % aussi souvent que les désintégrations des électrons, mais avec une erreur plus importante, ce qui signifie que le résultat est d’environ « deux sigma » par rapport au modèle standard (environ deux chances sur cent d’être une anomalie statistique ). Cela signifie que même si le résultat n’est pas assez précis à lui seul pour revendiquer une preuve solide d’une nouvelle force, il s’aligne très étroitement sur le résultat précédent et ajoute un soutien supplémentaire à l’idée que nous pourrions être au bord d’un percée.
Bien sûr, nous devons être prudents. Il y a encore du chemin à parcourir avant de pouvoir prétendre avec un certain degré de certitude que nous voyons vraiment l’influence d’une cinquième force de la nature. Mes collègues travaillent actuellement d’arrache-pied pour extraire autant d’informations que possible des données existantes, tout en préparant activement le premier cycle de l’expérience LHCb améliorée. Pendant ce temps, d’autres expériences au LHC, ainsi qu’au Expérience Belle 2 au Japon, se rapprochent des mêmes mesures. C’est excitant de penser que dans les prochains mois ou années une nouvelle fenêtre pourrait s’ouvrir sur les ingrédients les plus fondamentaux de notre univers.
Écrit par Harry Cliff, physicien des particules, Université de Cambridge.
Cet article a été publié pour la première fois dans La conversation.
