Des données issues du LHCb pourraient indiquer l’existence d’une nouvelle force

Si le modèle standard des particules est le cadre physico-mathématique de référence lorsqu’il s’agit de décrire les interactions élémentaires (excepté la gravité) agissant entre les particules, les physiciens savent depuis plusieurs années qu’il est incomplet. C’est pourquoi de nombreuses expériences cherchent des traces de l’existence d’une physique au-delà du modèle standard qui pourrait expliquer des phénomènes comme la matière et l’énergie noires. Récemment, au LHCb, des données relatives à la désintégration de certaines particules — des mésons B — ont révélé une potentielle anomalie. Bien qu’il soit encore trop tôt pour statuer sur la question, ces premiers résultats pourraient indiquer l’existence d’une nouvelle force.

La collaboration LHCb, l’une des quatre équipes principales du LHC, a analysé 10 ans de données sur la façon dont des particules instables appelées mésons B, créées momentanément dans la vaste machine, se désintégraient en matière plus familière comme les électrons. Le cadre mathématique qui sous-tend la compréhension du monde subatomique, le modèle standard de la physique des particules, affirme que les particules devraient se décomposer en produits qui incluent des électrons exactement au même rythme qu’elles se désintègrent en produits qui incluent un cousin plus lourd de l’électron, une particule appelée muon.

Une anomalie dans la désintégration des mésons B

Mais les résultats publiés par le CERN suggèrent que quelque chose d’inhabituel se passe. Les mésons B ne se désintègrent pas comme le modèle le prédit : au lieu de produire des électrons et des muons à la même vitesse, la nature semble favoriser la voie qui aboutit à des électrons.

« Nous nous attendrions à ce que cette particule se désintègre dans l’état final contenant des électrons et l’état final contenant des muons au même rythme. Ce que nous avons, c’est un indice intrigant selon lequel ces deux processus ne se produisent peut-être pas au même rythme, mais ce n’est pas concluant », indique Chris Parkes, physicien expérimental des particules à l’Université de Manchester et porte-parole de la collaboration LHCb.

Dans le jargon scientifique, le résultat a une signification de 3.1 sigma, ce qui signifie que le risque qu’il s’agisse d’un coup de chance est d’environ 1 sur 1000. Bien que cela puisse sembler une preuve convaincante, les physiciens des particules ont tendance à ne pas prétendre à une nouvelle découverte jusqu’à ce que le résultat atteigne une signification de 5 sigma, où la probabilité qu’il s’agisse d’une erreur statistique est réduite à un sur quelques millions.

Les limites actuelles du modèle standard

Le modèle standard de la physique des particules décrit les particules et les forces qui gouvernent le monde subatomique. Construit au cours du dernier demi-siècle, il définit comment les particules élémentaires appelées quarks composent les protons et les neutrons à l’intérieur des noyaux atomiques, et comment ceux-ci, généralement combinés avec des électrons, constituent toute la matière connue. Le modèle explique également trois des quatre forces fondamentales de la nature : l’électromagnétisme ; la force forte, qui maintient ensemble les noyaux atomiques ; et la force faible responsable de la radioactivité.

Mais le modèle standard ne décrit pas tout. Il n’explique pas la quatrième force, la gravité, et ne dit rien sur les 95% de l’Univers qui seraient l’objet d’une nouvelle physique. Une grande partie du cosmos, pensent-ils, est constituée d’énergie noire, une force qui semble conduire l’expansion de l’univers, et de matière noire, une substance mystérieuse qui semble maintenir le réseau cosmique de matière en place comme un squelette invisible.

« S’il s’avère, avec une analyse détaillée de processus supplémentaires, que nous confirmons nos résultats, ce serait extrêmement excitant », déclare Parkes. Cela signifierait qu’il y a quelque chose qui ne va pas avec le modèle standard et que nous avons besoin de quelque chose de plus dans notre théorie fondamentale de la physique des particules pour expliquer comment cela se produirait.

Des indices de l’existence d’une nouvelle force ?

Malgré les incertitudes sur ce résultat particulier, Parkes indique que lorsqu’il est combiné avec d’autres résultats sur les mésons B, le cas d’un événement inhabituel devient plus convaincant. « Je dirais qu’il y a une excitation prudente. Nous sommes intrigués car non seulement ce résultat est assez significatif, mais il correspond au modèle de certains résultats antérieurs du LHCb et d’autres expériences dans le monde entier ».

Ben Allanach, professeur de physique théorique à l’Université de Cambridge, convient que, combiné à d’autres découvertes, le dernier résultat du LHCb est passionnant. Si le résultat s’avère correct, cela pourrait s’expliquer par des particules hypothétiques appelées Z premiers ou leptoquarks, qui apportent de nouvelles forces à exercer sur d’autres particules.

« Il pourrait y avoir une nouvelle force quantique qui ferait en sorte que les mésons B se décomposent en muons à un rythme différent. Il les rassemble et les empêche de se désintégrer en muons au rythme auquel nous nous attendions. Cette force pourrait aider à expliquer le schéma particulier des masses de particules de matière différentes », a déclaré Allanach.

Sources : LHCb (1, 2)