En étudiant la désintégration du méson B, une particule subatomique composite, des chercheurs du Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont détecté un taux relativement important d’un type de désintégration dit « électrofaible en pingouin ». Alors que le modèle standard de physique des particules stipule que le phénomène devrait être extrêmement rare, il a été détecté à des taux significativement supérieurs aux prédictions du modèle, suggérant une lacune du modèle standard.
Selon le modèle standard de physique des particules, la matière est composée de particules fondamentales dont les interactions sont régies par quatre forces fondamentales : la gravité, l’électromagnétisme, l’interaction faible et l’interaction forte. Cette théorie représente actuellement notre meilleur modèle de compréhension des particules et des forces fondamentales et a été étayée par de nombreuses expériences et observations.
Les physiciens savent cependant depuis plus de 50 ans qu’il est incomplet, car il ne peut expliquer la matière noire ni l’énergie noire, qui, ensemble, représentent environ 95 % du contenu de l’Univers. Les mesures effectuées avec des instruments de pointe telles que le LHC permettent à la fois d’éprouver les prédictions du modèle, mais également d’en identifier les lacunes.
Cependant, malgré les décennies de recherche, plusieurs indices expérimentaux de possibles écarts au modèle standard ont émergé récemment. Un groupe international de chercheurs affirme avoir identifié l’une de ces failles en réalisant des expériences de désintégration du méson B.
« Nous avons étudié comment ces mésons B se désintègrent en d’autres particules et constaté que le mécanisme précis de cette désintégration diffère des prédictions du Modèle Standard », expliquent William Barter, de l’Université d’Édimbourg, et Mark Smith, de l’Imperial College London, les coauteurs de l’étude, dans un article paru dans The Conversation.
Quand les mésons B mettent le modèle standard à l’épreuve
Les mésons B regroupent plusieurs particules composées d’un quark bottom associé à un quark up, down, strange ou charm. Ils sont couramment utilisés pour les expériences au LHC visant à tester les prédictions du modèle standard et à identifier potentiellement les traces d’une nouvelle physique.
Les expériences de la nouvelle étude ont été menées dans la partie du collisionneur appelée LHCb pour désintégrer des mésons B (environ 650 milliards de désintégrations de mésons B enregistrées entre 2011 et 2018) en quatre particules subatomiques : un kaon, un pion et deux muons. L’expérience visait principalement à étudier comment le quark charm peut se transformer en quark strange.
Plus précisément, la désintégration du méson B a été effectuée selon un processus appelé désintégration électrofaible en pingouin, qui désigne un type spécifique de désintégration de particules à courte durée de vie. Cette forme de désintégration est extrêmement rare (un cas sur un million) d’après les prédictions du modèle standard.
« Nous avons analysé avec précision les angles et les énergies auxquels ces particules [les quatre résultant de la désintégration du méson B] sont produites lors de cette désintégration, et déterminé la fréquence exacte du processus. Nos mesures de ces grandeurs s’avèrent en désaccord avec les prédictions du Modèle Standard », écrivent Barter et Smith.
Les mesures de l’équipe — détaillées dans la revue Physical Review Letters — ont en effet montré un écart de quatre écarts-types (quatre sigmas) par rapport aux prévisions du modèle standard, ce qui signifierait qu’il n’y a qu’une chance sur 16 000 qu’une fluctuation aléatoire des données aussi extrême se produise si le modèle standard était complet.
À noter que cet écart est inférieur à la norme de cinq sigmas (environ une chance sur 1,7 million) établie comme référence pour qu’un phénomène expérimental puisse suggérer une nouvelle physique. Les résultats de l’équipe correspondraient néanmoins à ceux d’une précédente expérience menée avec le détecteur Solénoïde Compact à Muons (CMS) du LHC. « Bien que les résultats de CMS ne soient pas aussi précis que ceux de LHCb, ils concordent bien, ce qui renforce notre hypothèse », soulignent les deux chercheurs.
La collecte de nouvelles données pourrait permettre de confirmer ces observations. Des améliorations sont d’ailleurs prévues au LHC d’ici 2030 et permettraient de constituer un ensemble de données quinze fois plus important.
« Cette étape ultime permettra d’établir des conclusions définitives et pourrait révéler une nouvelle compréhension du fonctionnement de l’Univers à son niveau le plus fondamental », concluent Barter et Smith.
