Un événement LHCb typique entièrement reconstruit. Les particules identifiées comme pions, kaon, etc. sont représentées dans différentes couleurs. Crédit : CERN, Collaboration LHCb
Résultats annoncés par l’expérience LHCb à CERN ont révélé d’autres indices pour des phénomènes qui ne peuvent pas être expliqués par notre théorie actuelle de la physique fondamentale.
En mars 2020, la même expérience a révélé que des particules brisaient l’un des principes fondamentaux du modèle standard – notre meilleure théorie des particules et des forces – suggérant l’existence possible de nouvelles particules et forces fondamentales.
Maintenant, autres mesures par des physiciens du laboratoire Cavendish de Cambridge ont trouvé des effets similaires, renforçant les arguments en faveur d’une nouvelle physique.
« Le fait que nous ayons constaté le même effet que nos collègues en mars augmente certainement les chances que nous soyons vraiment sur le point de découvrir quelque chose de nouveau. » – Harry Falaise
Le modèle standard décrit toutes les particules connues qui composent l’univers et les forces par lesquelles elles interagissent. Il a réussi tous les tests expérimentaux à ce jour, et pourtant les physiciens savent qu’il doit être incomplet. Il n’inclut pas la force de gravité, ni ne peut expliquer comment la matière a été produite au cours de la Big Bang, et ne contient aucune particule qui pourrait expliquer la mystérieuse matière noire qui, selon l’astronomie, est cinq fois plus abondante que la matière qui compose le monde visible qui nous entoure.
En conséquence, les physiciens recherchent depuis longtemps des signes de physique au-delà du modèle standard qui pourraient nous aider à résoudre certains de ces mystères.
L’un des meilleurs moyens 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 constituent 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 survivent en moyenne un billionième 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 l’accélérateur de particules géant du CERN, le Large Hadron Collider, qui sont enregistrés par un détecteur spécialement conçu à cet effet appelé LHCb.
Caverne d’expérimentation LHCb au LHC-IP 8. Crédit : CERN
La façon dont les quarks de beauté se désintègrent peut être influencée par l’existence de forces ou de particules non découvertes. En mars, une équipe de physiciens de LHCb a publié des résultats montrant que les quarks de beauté se désintégraient moins souvent en particules appelées muons qu’en leurs cousins plus légers, les électrons. Ceci est impossible à expliquer dans le modèle standard, qui traite les électrons et les muons de manière identique, mis à part le fait que les électrons sont environ 200 fois plus légers que les muons. En conséquence, les quarks de beauté devraient se désintégrer en muons et en électrons à des taux égaux. Au lieu de cela, les physiciens de LHCb ont découvert que la désintégration du muon ne se produisait qu’environ 85 % aussi souvent que la désintégration des électrons.
La différence entre le résultat de 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’environ une chance sur mille que le résultat soit causé par 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, davantage de données sont nécessaires pour réduire l’erreur expérimentale. Ce n’est que lorsqu’un résultat atteint le seuil des « 5 sigma », lorsqu’il y a moins d’une chance sur un million qu’il soit dû au hasard, que les physiciens des particules commenceront à le considérer comme une véritable découverte.
« Le fait que nous ayons constaté le même effet que nos collègues en mars augmente certainement les chances que nous soyons véritablement sur le point de découvrir quelque chose de nouveau », a déclaré le Dr Harry Cliff du Laboratoire Cavendish. « C’est formidable de faire la lumière sur le puzzle un peu plus. »
d’aujourd’hui résultat ont examiné deux nouvelles désintégrations de quarks beauté de la même famille de désintégrations que celles utilisées dans le résultat de mars. L’équipe a trouvé le même effet : les désintégrations des muons ne se produisaient qu’environ 70 % aussi souvent que les désintégrations des électrons. Cette fois, l’erreur est plus importante, ce qui signifie que l’écart est d’environ « 2 sigma », ce qui signifie qu’il y a un peu plus de 2% de chances que cela soit dû à une bizarrerie statistique des données. Bien que le résultat ne soit pas concluant en soi, il ajoute un soutien supplémentaire à une pile croissante de preuves qu’il existe de nouvelles forces fondamentales qui attendent d’être découvertes.
“L’excitation au Grand collisionneur de hadrons grandit au moment où le détecteur LHCb amélioré est sur le point d’être allumé et d’autres données collectées qui fourniront les statistiques nécessaires pour revendiquer ou réfuter une découverte majeure”, a déclaré le professeur Val Gibson, également du Laboratoire Cavendish.
