Le « Symposium des collisionneurs d’hadrons » s’est ouvert lundi à Kyoto sur une bonne note. Pour la première fois, la collaboration LHCb qui opère au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN a dévoilé la toute première évidence de désintégrations rarissimes, celles de mésons Bs en deux muons (une particule semblable à l’électron mais 200 fois plus lourde). Les mésons forment une classe de particules faites d’un quark et d’un antiquark, ici un quark b et un antiquark s.
Ces mésons sont très instables et se désintègrent en particules plus légères en une picoseconde, soit un millionième de millionième de seconde.
Ces désintégrations en deux muons sont prédites par la théorie, le modèle standard de la physique des particules. Cela devrait se produire environ 3 fois par milliards de désintégrations. En notation scientifique, on écrit (3.54±0.30)x10-9. La valeur de 0.30 représente la marge d’erreur théorique. La collaboration LHCb a donc annoncé avec beaucoup de fierté avoir mesuré (3.2+1.5-1.2)x10-9 , soit une valeur très proche de la valeur théorique en tenant compte de la marge d’erreur expérimentale.
Voici la distribution des valeurs obtenues par LHCb pour la masse combinée des deux muons. La courbe continue en bleu représente la somme de toutes les contributions de sources connues contenant deux muons. La courbe rouge en pointillés montre le nombre d’évènements venant de la désintégration de mésons Bs. Les points en noir représentent les données avec leur marge d’erreur (barres verticales et horizontales). Les données semblent correspondre à la somme de toutes les sources connues, laissant peu de place pour de nouveaux phénomènes.
Ce résultat constitue un véritable exploit, non seulement parce que c’est le plus petit taux de désintégration jamais mesuré, mais surtout parce qu’il impose de fortes contraintes sur tous les nouveaux modèles théoriques. Voici pourquoi.
Les théoriciens et théoriciennes sont convaincus qu’il existe une théorie plus complète que le modèle standard actuel, même si on n’a pas encore réussi à en détecter le moindre effet. Un peu comme si le modèle standard était à la physique des particules ce que l’arithmétique (addition, soustraction etc.) est aux mathématiques. Cela suffit amplement pour les opérations quotidiennes mais pour les tâches plus complexes, il nous faut l’algèbre ou le calcul intégral et différentiel. En physique des particules, nous avons des problèmes que l’on ne peut résoudre avec le modèle standard, comme par exemple il n’explique pas la nature de la matière noire. On cherche donc les premiers signes de la « nouvelle physique ».
Un bon endroit où regarder pour détecter cette nouvelle physique est justement là où la théorie actuelle prédit des phénomènes très rares comme ces désintégrations de mésons Bs. Elles sont justement rarissimes car la théorie n’a que très peu de façons de les produire. Si cette nouvelle physique existe, on soupçonne qu’elle contribuera par de nouveaux mécanismes. On verrait peut-être alors ce genre de désintégrations se produire un peu plus souvent.
C’est un peu comme si on voulait utiliser la surface d’un lac pour déceler la présence d’une créature invisible en espérant voir les rides que son souffle produirait sur l’eau. Bien sûr, cela ne pourrait fonctionner que pour un lac très calme, à peine perturbé par un tout petit poisson ou un insecte dans l’espoir de voir apparaitre des vaguelettes venant d’une autre source. Le résultat actuel de LHCb montre qu’en fait aucune ride n’est visible sur le lac qu’on ne puisse imputer à une cause déjà connue. Si la situation demeure inchangée lorsque la marge d’erreur aura diminuée (en analysant dans les mois à venir les données en cours d’acquisition), on devra conclure que soit la nouvelle créature ne respire pas comme on le pensait, soit qu’il faudra élaborer une méthode plus efficace.
Ce nouveau résultat semble indiquer que la nouvelle physique sera plus difficile à révéler qu’on ne l’espérait. En attendant, cela permettra aux théoriciennes et théoriciens d’éliminer les nouveaux modèles inadéquats, ce qui finira éventuellement par les orienter dans la bonne direction. Entre temps, les expérimentateurs et expérimentatrices devront élaborer des techniques plus raffinées pour enfin mettre le doigt sur cette nouvelle physique.
Ce graphe démontre comment cette mesure (représentée par l’axe horizontal) effectuée plus tôt cette année avait déjà grandement contraint les valeurs permises pour différents modèles. Le nouveau résultat les renforcera encore davantage.
(Pour plus de détails, voir la page publique de LHCb (en anglais seulement))
Pauline Gagnon
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Tags: CERN, LHCb, nouvelle physique
