Preuve d’une toute nouvelle physique? | Monde humain

Harry Cliff, Université de Cambridge; Konstantinos Alexandros Petridis, Université de Bristol; et Paula Alvarez Cartelle, Université de Cambridge

Lorsque l’accélérateur gargantuesque du Cern, le Grand collisionneur de hadrons (LHC), s’est déclenché il y a 10 ans, les espoirs abondaient que de nouvelles particules seraient bientôt découvertes qui pourraient nous aider à percer les mystères les plus profonds de la physique. La matière noire, les trous noirs microscopiques et les dimensions cachées n’étaient que quelques-unes des possibilités. Mais mis à part la découverte spectaculaire du boson de Higgs, le projet n’a donné aucun indice sur ce qui pourrait se trouver au-delà du modèle standard de la physique des particules, notre meilleure théorie actuelle du micro-cosmos.

Ainsi, notre nouveau document de LHCb, l’une des quatre expériences géantes du LHC, est susceptible de faire battre le cœur des physiciens un peu plus vite. Après avoir analysé des milliards de collisions produites au cours de la dernière décennie, nous pouvons voir des preuves de quelque chose de tout à fait nouveau, potentiellement porteur d’une toute nouvelle force de la nature.

Mais l’excitation est tempérée par une extrême prudence. Le modèle standard a résisté à tous les tests expérimentaux lancés depuis son assemblage dans les années 1970, donc prétendre que nous voyons enfin quelque chose qu’il ne peut pas expliquer nécessite des preuves extraordinaires.

Anomalie étrange

Le modèle standard décrit la nature à la plus petite échelle, comprenant des particules fondamentales appelées leptons (tels que les électrons) et des quarks (qui peuvent se rassembler pour former des particules plus lourdes telles que des protons et des neutrons) et les forces avec lesquelles ils interagissent.

Il existe de nombreux types de quarks, dont certains sont instables et peuvent se désintégrer en d’autres particules. Le nouveau résultat est lié à une anomalie expérimentale qui a été évoquée pour la première fois en 2014, lorsque les physiciens du LHCb ont repéré des quarks «beauté» se désintégrant de manière inattendue.

Plus précisément, les quarks de beauté semblaient se désintégrer en leptons appelés «muons» moins souvent qu’ils ne se désintégraient en électrons. C’est étrange car le muon est essentiellement une copie carbone de l’électron, identique en tout point sauf qu’il est environ 200 fois plus lourd.

On pourrait s’attendre à ce que les quarks de beauté se désintègrent en muons aussi souvent qu’ils le font en électrons. La seule façon dont ces désintégrations pourraient se produire à des rythmes différents est si des particules jamais vues auparavant étaient impliquées dans la désintégration et faisaient pencher la balance contre les muons.

Si le résultat de 2014 était intriguant, il n’était pas assez précis pour tirer une conclusion ferme. Depuis, un certain nombre d’autres anomalies sont apparues dans des processus connexes. Ils ont tous été individuellement trop subtils pour que les chercheurs soient convaincus qu’il s’agissait de véritables signes d’une nouvelle physique, mais de manière alléchante, ils semblaient tous pointer dans une direction similaire.

La grande question était de savoir si ces anomalies deviendraient plus fortes à mesure que davantage de données seraient analysées ou se fondraient en rien. En 2019, LHCb a de nouveau effectué la même mesure de la désintégration des quarks de beauté, mais avec des données supplémentaires prises en 2015 et 2016. Mais les choses n’étaient pas beaucoup plus claires qu’elles ne l’avaient été cinq ans plus tôt.

Nouveaux résultats

Le résultat d’aujourd’hui (23 mars 2021) double le jeu de données existant en ajoutant l’échantillon enregistré en 2017 et 2018. Pour éviter d’introduire accidentellement des biais, les données ont été analysées en «aveugle»: les scientifiques n’ont pas pu voir le résultat jusqu’à ce que toutes les procédures utilisées dans la mesure avait été testée et revue.

Mitesh Patel, physicien des particules à l’Imperial College de Londres et l’un des chefs de file de l’expérience, a décrit l’excitation qu’il a ressentie lorsque le moment est venu de regarder le résultat:

Je tremblais en fait. J’ai réalisé que c’était probablement la chose la plus excitante que j’ai faite au cours de mes 20 ans en physique des particules.

Lorsque le résultat est apparu à l’écran, l’anomalie était toujours là: environ 85 désintégrations de muons pour 100 désintégrations d’électrons, mais avec une incertitude plus faible qu’auparavant.

Ce qui passionnera de nombreux physiciens, c’est que l’incertitude du résultat est désormais supérieure à «trois sigma», la manière des scientifiques de dire qu’il n’y a qu’une chance sur mille que le résultat soit un hasard aléatoire des données. Par convention, les physiciens des particules appellent tout ce qui dépasse trois sigma «preuve». Cependant, nous sommes encore loin d’une «découverte» ou d’une «observation» confirmée. Cela nécessiterait cinq sigma.

Les théoriciens ont montré qu’il est possible d’expliquer cette anomalie (et d’autres) en reconnaissant l’existence de toutes nouvelles particules qui influencent la manière dont les quarks se désintègrent. Une possibilité est une particule fondamentale appelée «Z prime», essentiellement porteuse d’une toute nouvelle force de la nature. Cette force serait extrêmement faible, c’est pourquoi nous n’en avons vu aucun signe jusqu’à présent, et interagirait différemment avec les électrons et les muons.

Une autre option est l’hypothétique «leptoquark», une particule qui a la capacité unique de se désintégrer simultanément en quarks et leptons et qui pourrait faire partie d’un puzzle plus vaste qui explique pourquoi nous voyons les particules que nous faisons dans la nature.

Interpréter les résultats

Alors avons-nous enfin vu des preuves d’une nouvelle physique? Eh bien, peut-être, peut-être pas. Nous effectuons beaucoup de mesures au LHC, vous pouvez donc vous attendre à ce qu’au moins certaines d’entre elles tombent aussi loin du modèle standard. Et nous ne pouvons jamais totalement exclure la possibilité qu’il y ait un biais dans notre expérience que nous n’avons pas correctement pris en compte, même si ce résultat a été vérifié de manière extrêmement approfondie. En fin de compte, l’image ne deviendra plus claire qu’avec plus de données. LHCb fait actuellement l’objet d’une mise à niveau majeure pour augmenter considérablement le taux d’enregistrement des collisions.

Même si l’anomalie persiste, elle ne sera probablement pleinement acceptée qu’une fois qu’une expérience indépendante aura confirmé les résultats. Une possibilité intéressante est que nous pourrions être en mesure de détecter les nouvelles particules responsables de l’effet créé directement dans les collisions au LHC. Pendant ce temps, l’expérience Belle II au Japon devrait permettre d’effectuer des mesures similaires.

Qu’est-ce donc que cela pourrait signifier pour l’avenir de la physique fondamentale? Si ce que nous voyons est vraiment le signe avant-coureur de certaines nouvelles particules fondamentales, ce sera finalement la percée à laquelle les physiciens aspirent depuis des décennies.

Nous aurons enfin vu une partie de la vue d’ensemble qui se situe au-delà du modèle standard, ce qui pourrait finalement nous permettre de percer un certain nombre de mystères établis. Ceux-ci incluent la nature de la matière noire invisible qui remplit l’univers ou la nature du boson de Higgs. Cela pourrait même aider les théoriciens à unifier les particules et les forces fondamentales. Ou, peut-être le meilleur de tous, cela pourrait indiquer quelque chose que nous n’avons même jamais envisagé.

Alors, devrions-nous être excités? Oui, des résultats comme celui-ci ne se produisent pas très souvent, la chasse est définitivement lancée. Mais nous devons être prudents et humbles aussi; les réclamations extraordinaires nécessitent des preuves extraordinaires. Seuls le temps et le travail acharné nous diront si nous avons enfin vu la première lueur de ce qui se trouve au-delà de notre compréhension actuelle de la physique des particules.

Harry Cliff, physicien des particules, Université de Cambridge; Konstantinos Alexandros Petridis, maître de conférences en physique des particules, Université de Bristol, et Paula Alvarez Cartelle, maître de conférences en physique des particules, Université de Cambridge

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.

Conclusion: une équipe de physiciens du Grand collisionneur de hadrons (LHC) a annoncé le 23 mars 2021 qu’elle avait repéré un signal inhabituel dans ses données qui pourrait être le premier indice d’une toute nouvelle physique.

Source: Test de l’universalité des leptons dans les désintégrations beauté-quark