La désintégration extrêmement rare d’une particule suscite l’espoir de découvrir une nouvelle physique

 

Vue de l’enceinte de l’expérience LHCb, à cheval sur la frontière franco-suisse, en 2024. CERN

L’accélérateur géant du CERN n’a pas encore livré tous ses secrets. L’une des expériences de l’installation a permis d’observer un phénomène se produisant une fois sur dix milliards de particules.

L’accélérateur géant du Laboratoire européen pour la physique des particules (CERN), le Large Hadron Collider (LHC), a beau avoir été mis à l’arrêt dans l’objectif d’en améliorer les performances, les physiciens de l’installation continuent d’en présenter des résultats. L’équipe chargée de la plus petite des quatre expériences installées sur l’anneau de 27 kilomètres – LHCb et ses 5,5 tonnes – a ainsi annoncé, le 3 novembre, avoir « vu » un phénomène excessivement rare, que beaucoup attendaient dans l’espoir d’y trouver la manifestation d’une physique nouvelle.
Les détecteurs de LHCb auraient repéré la mort d’une particule, par un mécanisme très rare, s’accompagnant de l’émission de deux jets de muons, des cousins de l’électron, 200 fois plus lourds que lui. La particule qui s’est désintégrée appartient à la famille des mésons, faits de deux autres plus petites, des quarks. La matière ordinaire est constituée de neutrons et de protons, eux-mêmes faits de trois quarks.
En 2015, LHCb, associée à une autre expérience du LHC, CMS, avait déjà observé la mort rare d’un premier type de méson, dit « Bs ». Cette fois, pour le méson dit « Bd », la désintégration étudiée est plus de dix fois moins fréquente. Cette émission de deux muons n’arrive qu’une fois sur dix milliards de particules (ce méson a plus de 20 façons différentes de mourir).

« Tour de force »
« C’est un “tour de force” expérimental, qui vaut la peine d’être célébré. Cette désintégration de Bd est extrêmement rare et très semblable à celle de Bs, ce qui nécessite d’analyser finement les données », apprécie Sébastien Descotes-Genon, ancien directeur adjoint du laboratoire Irène-Joliot-Curie (IJCLab) à Orsay (Essonne). La prouesse s’explique en partie par des améliorations du détecteur, devenu cinq fois plus performant en 2024. « Nous sommes très satisfaits que ces modifications aient fonctionné aussi bien », insiste Yasmine Amhis, directrice de recherche au CNRS à l’IJCLab, membre de LHCb.
« C’est un très beau résultat », confirme Guillaume Unal, porte-parole d’une troisième expérience, ATLAS, qui analyse actuellement ses propres données pour confirmer l’observation. Cette dernière n’a d’ailleurs pas encore le statut de découverte, compte tenu d’une statistique insuffisante. Mais les preuves sont bien supérieures aux premiers signes de 2015, qui avaient été invalidés en 2018.
L’intérêt d’une telle désintégration est qu’elle est soupçonnée d’être sensible à la présence de nouvelles particules, hors du modèle théorique actuel. Elle constituerait donc une preuve indirecte de l’existence d’une autre théorie physique, nécessaire selon les physiciens pour expliquer bon nombre de mystères, mais pour laquelle ils ne disposent d’aucun signe concret. « Ces derniers résultats permettront de contraindre les modèles théoriques de cette nouvelle physique », estime Yasmine Amhis. Pour l’instant, les propriétés mesurées de cette désintégration semblent conformes au modèle standard.
La nouvelle tombe néanmoins à point nommé pour les chercheurs de la collaboration impliquant plus de 1 500 scientifiques de 17 pays, qui attendent des financements pour un nouveau détecteur, LHCb2, dix fois plus performant encore.

Par David Larousserie
Le Monde du 10 novembre 26