Dans une étude publiée dans Nature le 12 juin 2017 (1) ayant particulièrement retenu l’attention de la communauté scientifique, une équipe internationale de physiciens présente les résultats de l’analyse de grande ampleur menée sur les données concernant la désintégration des mésons B issues de trois expériences différentes. Ceux-ci montrent une potentielle violation de l’universalité leptonique qui pourrait démontrer l’existence de nouvelles particules prévues par la physique au-delà du Modèle Standard.

Les leptons et l’universalité leptonique

Dans le Modèle Standard des particules, les leptons constituent une sous-famille des fermions composée de l’électron, du muon et du tauon. Ce sont des particules élémentaires sensibles à l’interaction électromagnétique et nucléaire faible mais non à l’interaction forte. Ces trois particules, électriquement chargées, sont respectivement associées au neutrino électronique, au neutrino muonique et au neutrino tauique, ceux-ci étant électriquement neutres.

leptons generations organisation

Tableau montrant l’organisation des leptons dans le Modèle Standard. Crédits : Sciences Claires

Les interactions électromagnétiques et nucléaires faibles ont été unifiées au sein de la théorie électrofaible, celle-ci ayant été par la suite combinée à la théorie de la chromodynamique quantique (théorie quantique de l’interaction nucléaire forte) pour former le Modèle Standard. La construction de ce modèle théorique a conduit à l’émergence de bosons électrofaibles intermédiaires : les bosons W et Z.

Pour conserver l’intégrité du Modèle Standard, chacun des leptons doit se comporter de la même manière vis-à-vis de l’interaction électrofaible. Il doit donc exister un comportement « universel » des leptons face aux bosons W et Z : c’est l’universalité leptonique.

Bien que les leptons possèdent une masse différente (511 keV pour l’électron, 1.777 MeV pour le tauon et 105 MeV pour le muon) et donc une durée de vie très différente (l’électron est stable tandis que le tauon se désintègre en seulement 0.29 picosecondes), induisant de légères variations dans le comportant de chacun face à l’interaction électrofaible, l’universalité leptonique est respectée au regard des dernières expériences à ce sujet, qui n’ont montré aucune violation significative de ce principe (2)(3).

L’universalité leptonique et les mésons B

Les mésons sont des hadrons, c’est-à-dire des particules composites constituées d’une paire quark-antiquark. Plus particulièrement, les mésons B sont des mésons possédant toujours un antiquark « bottom », associé à un quark « up », un quark « down », un quark « charm » ou un quark « strange ». Ils peuvent être électriquement positifs, négatifs ou nuls. À ce titre, les mésons B sont des bosons sensibles à l’interaction forte.

Comme beaucoup de particules, les mésons B se désintègrent. Leur temps de vie est compris entre 0.46×10-12 secondes et 1.64×10-12 secondes. Cette désintégration peut se faire de différentes manières, selon des « canaux de désintégration ». Depuis plusieurs années, les physiciens scrutent rigoureusement ces nombreux canaux de désintégration, comparant les prédictions statistiques avec les données issues des collisions (électrons-positrons ou protons-protons) effectuées dans les accélérateurs de particules.

collision electron positron expérience belle

Reconstruction d’une collision électron-positron issue des données de l’expérience Belle. Un méson B est produit, puis se désintègre en méson D et en tauon. Le méson D se désintègre à son tour en K- et π+, et le tauon en e-, ντ et /νe. Crédits : Belle Experiment, KEK Laboratory

Ces analyses exhaustives ne sont pas menées au hasard, car des écarts statistiques significatifs dans les canaux de désintégrations mésoniques signeraient une violation de l’universalité leptonique et donc l’existence de nouvelles particules, et plus globalement d’une nouvelle physique. Même si certains résultats publiés par le LHCb en début d’année indiquaient des écarts statistiques dans la désintégration du méson B0, le degré de fidélité de 2.2 σ, comparé aux 5 σ nécessaires, était insuffisant pour en faire une preuve fiable d’anomalie (4).

Trois expériences et une nouvelle physique ?

Les données des canaux de désintégration du méson B analysées par l’équipe internationale (auteure de l’étude) sont issues de trois expériences différentes : le LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) du CERN avec ses collisions protons-protons, Belle (High Energy Accelerator Research Organisation, Japon) et BaBar (SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford) avec leurs collisions électrons-positrons. Ces trois expériences sont spécialement calibrées pour la production, la détection et l’analyse de mésons B en très grandes quantités.

En étudiant ces données, les physiciens ont remarqué des anomalies statistiques dans la désintégration du méson B, impliquant l’émission de tauons. En comparant les prédictions réalisées à partir du Modèle Standard avec les résultats issus des collisions, les scientifiques ont trouvé plusieurs divergences qui ne devraient pas être observées si l’universalité leptonique était correctement respectée.

Combinées, ces données permettent d’atteindre un degré de confiance de 4 σ, encore insuffisant pour parler d’une découverte (5 σ). Mais ces 4 σ et le fait que ces anomalies aient été observées dans les résultats de trois expériences indépendantes apportent une véritable garantie et indiquent l’absence d’un défaut matériel (biais expérimental).

Mais alors, quelles pourraient être les causes à l’origine de ces anomalies ? Les auteurs proposent trois hypothèses extrêmement intéressantes. La première serait l’existence du leptoquark, une particule théorique permettant l’interaction entre quarks et leptons, le changement d’un quark en lepton (et vice-versa) et expliquant l’organisation de la matière en « générations ». Le leptoquark est prédit par certaines théories de grande unification.

La seconde serait la mise en évidence d’un nouveau type de boson de Higgs, le boson H-, de spin 1, électriquement chargé et prédit par les théories supersymétriques. De la même manière que le boson W, il serait médiateur de l’interaction faible, mais se couplerait différemment selon les leptons.

Enfin, la troisième hypothèse fait intervenir de nouveaux bosons analogues aux bosons W : les bosons W’. Le boson W’ serait plus massif que son cousin et se couplerait différemment aux leptons. Le bosons W’ émerge de la plupart des théories visant à unifier les quatre interactions fondamentales et est notamment prédit par la théorie des cordes.

emission boson w

Image 1 : diagramme montrant l’émission d’un boson W’, le nouveau quark TOP « t » se changeant en quark BOTTOM « b » via l’émission d’un boson W. Image 2 : diagramme montrant la transformation d’un antiquark BOTTOM « b » en antiquark STRANGE « s » via l’émission d’un leptoquark Δ, lui-même donnant une paire de leptons l+ et l-. Crédits : CERN

Ces résultats indiquent-ils enfin la découverte de cette nouvelle physique tant attendue ? Il est trop tôt pour le dire, et des confirmations doivent encore être apportées, mais l’espoir est de nouveau de mise.

Sources : Arxiv.org (1)Indico.cern (2)Arxiv.org (3)Cern (4)

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