Si le modèle standard décrit aujourd’hui avec précision un grand nombre de processus physiques dans l’Univers, il existe toutefois des phénomènes qui lui échappent, comme la nature de la matière noire ou l’origine de l’asymétrie matière-antimatière. C’est pourquoi les physiciens recherchent des indices d’une physique au-delà du modèle standard. Récemment, la collaboration NA62 du CERN a observé un événement extrêmement rare pour la première fois : la désintégration d’un kaon chargé en un pion chargé et deux neutrinos. Bien que cette désintégration soit prédite par le modèle standard, elle pourrait offrir des indices sur l’existence de cette physique au-delà du modèle standard. 

La collaboration CERN NA62, qui est en partie financée par le Science and Technology Facilities Council (STFC) du Royaume-Uni et implique un certain nombre de physiciens britanniques, a présenté à la conférence ICHEP 2020 à Prague les premières preuves expérimentales significatives de la désintégration ultra-rare d’un kaon chargé en un pion chargé et deux neutrinos (K + → π + νν).

Processus de désintégration rares : des outils pour rechercher une physique au-delà du modèle standard

Le processus de désintégration est important dans la recherche de pointe en physique, car il est très sensible aux écarts par rapport aux prévisions théoriques. Cela signifie que c’est l’une des choses les plus intéressantes à observer pour les physiciens à la recherche de preuves pour soutenir une extension théorique du modèle standard.

Mark Thomson, physicien des particules et président exécutif du STFC, déclare qu’il s’agit d’un progrès passionnant, car le résultat montre comment des mesures précises de ce processus pourraient conduire à une nouvelle physique, au-delà du modèle standard développé dans les années 1970.

« Le modèle standard décrit les forces fondamentales et les éléments constitutifs de l’univers. Il s’agit d’une théorie très réussie, mais il existe plusieurs mystères de l’Univers que le modèle standard n’explique pas, comme la nature de la matière noire et les origines du déséquilibre matière-antimatière dans l’Univers. Les physiciens recherchent des extensions théoriques du modèle standard. Les mesures de processus ultra-rares offrent une voie passionnante pour explorer ces possibilités, dans l’espoir de découvrir une nouvelle physique au-delà du modèle standard ».

L’observation du « canal d’or » : une étape importante pour éprouver le modèle standard

L’expérience NA62 a été conçue et construite spécifiquement pour la mesure de ces désintégrations de kaons ultra-rares, à partir de kaons produits par un faisceau de protons de haute intensité unique, fourni par le complexe d’accélérateurs du CERN. Les kaons sont créés en entrant en collision avec des protons de haute énergie du super-synchrotron à protons (SPS) du CERN dans une cible de béryllium stationnaire. Cela crée un faisceau de particules secondaires qui contient et propage près d’un milliard de particules par seconde, dont environ 6% sont des kaons.

L’objectif principal de NA62 est de mesurer précisément comment un kaon chargé se désintègre en un pion et une paire neutrino-antineutrino. « Ce processus de désintégration du kaon est appelé le « canal d’or » en raison de la combinaison du fait qu’il est à la fois ultra-rare et parfaitement prédit dans le modèle standard. Il est très difficile à capturer et est très prometteur pour les chercheurs à la recherche d’une nouvelle physique », explique Cristina Lazzeroni, physicienne des particules à l’Université de Birmingham et porte-parole de NA62.

graphique kaon

Développement historique des prédictions théoriques (zones rouges) et des limites expérimentales (triangles noirs). Il y a 3 mesures en bleu : la première provient d’une expérience aux États-Unis. Les deux suivants proviennent de NA62 avec des données antérieures et cette mesure. La précision accrue de la mesure effectuée par NA62 est clairement visible. Crédits : NA62 Collaboration

« C’est la première fois que nous sommes en mesure d’obtenir des preuves expérimentales significatives de ce processus de désintégration. C’est un moment passionnant, car c’est une étape fondamentale vers la capture de la mesure précise de la désintégration et l’identification d’éventuels écarts par rapport au modèle standard. En retour, cela nous permettra de trouver de nouvelles façons de comprendre notre univers. Les instruments et techniques développés dans l’expérience NA62 mèneront à la prochaine génération d’expériences de désintégration de kaons rares ».

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Le nouveau résultat mesuré avec une précision de 30% donne la mesure la plus précise à ce jour de ce processus. Le résultat est conforme aux attentes du modèle standard, mais laisse encore de la place à l’existence de nouvelles particules. Davantage de données sont nécessaires pour parvenir à une conclusion définitive sur la présence ou non d’une nouvelle physique.

Une méthode d’analyse rigoureuse pour éviter tout biais de mesure

« L’analyse des données de l’expérience a posé un réel défi. Nous avons dû supprimer une énorme quantité de données indésirables, d’environ mille milliards de fois. Et nous avons dû le faire sans perdre le minuscule signal que nous voulions détecter. C’est beaucoup plus difficile que de trouver une aiguille dans un million de meules de foin. Nous avons utilisé une méthode appelée technique d’analyse à l’aveugle. Ainsi appelée, parce que l’analyse se fait sans regarder dans la région où le signal est censé être », explique Giuseppe Ruggiero de l’Université de Lancaster.

Le nouveau résultat provient d’une analyse détaillée de l’ensemble complet de données de NA62 collectées jusqu’à présent, correspondant à une exposition de désintégrations de 6×1012 kaons. Parce que le processus mesuré est si rare, l’équipe a dû faire particulièrement attention à ne rien faire qui puisse biaiser le résultat. Pour cette raison, l’expérience a été réalisée comme une « analyse à l’aveugle », où les physiciens ne regardent initialement que le contexte pour vérifier que leur compréhension des différentes sources est correcte.

detection kaon

Les 17 événements de l’ensemble de données 2018 sont visibles à l’intérieur des cases rouges (les cases rouges ont été gardées aveugles pendant l’analyse et leur contenu n’a été révélé qu’à la dernière étape). Les autres points noirs en dehors des cases rouges sont principalement dus au bruit de fond, c’est-à-dire à d’autres processus. Crédits : NA62 Collaboration

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Seulement une fois qu’ils sont satisfaits de cela, ils regardent la région des données où le signal devrait être. Suite à une analyse à l’aveugle, dix-sept candidats K + → π + νν ont été observés dans l’ensemble de données principal collecté en 2018, révélant un excès significatif par rapport au fond attendu de seulement 5.3 événements.

Cet excès conduit à la première preuve de ce processus (avec une signification statistique supérieure au niveau des « trois sigma »). Le taux de décroissance, mesuré avec une précision de 30%, donne la mesure la plus précise à ce jour de ce processus. Le résultat est conforme aux attentes du modèle standard, mais laisse encore de la place pour de nouveaux effets physiques. Davantage de données sont nécessaires pour parvenir à une conclusion définitive sur la présence ou non d’une nouvelle physique.

Vers une mesure plus précise de la désintégration des kaons chargés

La probabilité que ce processus se produise, appelé « rapport de branchement », pour la désintégration ultra-rare K + → π + νν est très faible et prédite dans le modèle standard avec une précision élevée : (8,4 ± 1,0) × 10-11 . Cela conduit à une sensibilité exceptionnelle aux phénomènes possibles au-delà de la description du modèle standard, faisant de cette désintégration un « mode d’or », c’est-à-dire l’une des observables les plus intéressantes à la frontière de la précision de la physique des particules.

La collaboration NA62 se prépare à collecter un ensemble de données encore plus grand en 2021–24, lorsque le SPS du CERN redémarrera, prenant des données à une intensité de faisceau plus élevée avec une ligne de faisceau et une configuration de détecteur améliorées. La prochaine cible est une observation « cinq sigma » de la désintégration K + → π + νν, suivie d’une mesure du taux de désintégration avec une précision de 10%, fournissant ainsi un puissant test indépendant du modèle standard.

Pour l’avenir à plus long terme, un programme de faisceaux de kaons de haute intensité commence à prendre forme, avec des perspectives de mesurer la décroissance K + → π + νν avec une précision de quelques %, pour traiter la désintégration analogue du kaon neutre, KL → π0νν, et pour atteindre des sensibilités extrêmes à une grande variété de désintégrations rares de kaons qui sont complémentaires aux recherches dans le secteur des quarks beauty.

Sources : NA62

desintegration kaon

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