Une transformation de particule ultra-rare observée pour la première fois au CERN : fenêtre sur une nouvelle physique ?

Dans une avancée majeure pour la physique des particules, des chercheurs de l’Université de Birmingham, en collaboration avec le CERN et d’autres institutions, ont récemment observé pour la première fois un processus de désintégration de particule extrêmement rare au LHC. Elle pourrait ouvrir la voie à une nouvelle compréhension des lois de l’Univers. Présentée lors d’un séminaire du CERN par la collaboration NA62, elle concerne la désintégration d’un kaon chargé en un pion chargé et une paire neutrino-antineutrino (K+ → π+νν), un phénomène extrêmement rare.

Le CERN, avec son Grand collisionneur de hadrons (LHC), est à l’avant-garde de la recherche en physique des particules. Ce gigantesque accélérateur de particules, situé dans un tunnel de 27 kilomètres sous la frontière franco-suisse, permet de recréer en quelque sorte les conditions qui existaient peu de temps après le Big Bang. C’est grâce à cette machine que le boson de Higgs a été découvert en 2012, confirmant une partie essentielle du Modèle standard de la physique des particules.

Pourquoi cette découverte est-elle si importante ?

La désintégration K+ → π+νν est parfois désignée par les chercheurs comme le « mode d’or » dans le domaine de la « physique des saveurs » (elle décrit les types ou variétés de quarks et de leptons et joue un rôle clé dans notre compréhension des interactions fondamentales) en raison de sa capacité exceptionnelle à détecter les effets indirects de potentielles nouvelles physiques, même à des échelles de masse extrêmement élevées.

Pour donner une idée de la rareté de cette désintégration, il faut savoir que le Modèle standard prédit pour cette dernière un rapport de branchement (ratio entre le nombre de désintégrations suivant un certain mode et le nombre total de désintégrations d’une particule) de moins de 10^-10, ce qui en fait une cible précieuse pour la recherche de nouvelles théories au-delà de celles actuellement acceptées.

Dans un communiqué de l’Université de Birmingham, Cristina Lazzeroni, professeure de physique des particules à l’Université de Birmingham, qui a dirigé l’étude, a déclaré : « Avec cette mesure, K+ → π p+νν devient la désintégration la plus rare établie au niveau de la découverte – le fameux 5 sigma. Cette analyse difficile est le fruit d’un excellent travail d’équipe, et je suis extrêmement fière de ce nouveau résultat ».

Pour mieux comprendre pourquoi cette découverte est si importante, il faut savoir que le Modèle standard est actuellement le cadre théorique le plus complet pour expliquer les interactions fondamentales des particules. Cependant, il est connu qu’il ne puisse pas expliquer tous les phénomènes de l’Univers, comme la matière noire ou l’énergie noire.

L’observation expérimentale de la désintégration ultra-rare du kaon — en un pion chargé positivement et une paire neutrino-antineutrino — pourrait offrir des indices clés permettant potentiellement de développer des théories au-delà du Modèle standard, en ouvrant notamment la voie à la découverte de nouvelles particules ou forces fondamentales. Ce processus, noté K+ → π+νν, est l’un des plus rares jamais observés. En effet, le Modèle standard (SM) prédit que moins d’une occurrence sur dix milliards est attendue, et le taux de désintégration observé ici est environ 50 % plus élevé que prévu.

Vers une nouvelle physique ?

Les implications de cette découverte, présentée lors d’un séminaire du CERN, sont donc vastes. En effet, le fait que cette désintégration soit 50 % plus fréquente que précédemment estimé pourrait indiquer la présence de nouvelles particules ou forces, ce qui pourrait mener à une révision des théories actuelles sur la structure fondamentale de la matière.

Les scientifiques du projet NA62 ont dû surmonter de nombreux défis techniques pour parvenir à ces résultats. Grâce à des améliorations majeures de la ligne de faisceau et du détecteur du LHC, l’expérience a pu opérer à une intensité de faisceau 30 % plus élevée qu’habituellement. Ces avancées ont permis une analyse plus précise et une meilleure suppression des bruits de fond, rendant les résultats encore plus fiables. L’expérience NA62 recueille actuellement de nouvelles données et les chercheurs espèrent confirmer ou infirmer, au cours des prochaines années, la présence d’une nouvelle physique dans cette désintégration.