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Deux petites anomalies remarquées

La 37ème Conférence internationale de physique des hautes énergies vient de se terminer à Valence, en Espagne. Cette année, pas de grande surprise : aucun nouveau boson, aucun signe de nouvelles particules ou phénomènes révélant la nature de la matière sombre ou l’existence de nouvelles théories comme la supersymétrie. Mais comme toujours, quelques petites anomalies ont capté l’attention.

Les chercheur-e-s s’intéressent particulièrement à toute déviation par rapport aux prédictions théoriques car ces petites anomalies pourraient révéler l’existence d’une “nouvelle physique”. Cela permettrait de découvrir des indices d’une théorie plus inclusive puisque tout le monde réalise que le modèle théorique actuel, le Modèle standard, a ses limites et doit être remplacé par une théorie plus complète.

Mais il faut se méfier. Tous les physiciens et physiciennes le savent bien : de petits écarts apparaissent souvent et disparaissent tout aussi vite. Toutes les mesures faites en physique suivent des lois statistiques. Des déviations d’un écart-type entre les valeurs mesurées expérimentalement et celles prédites par la théorie sont observées dans trois mesures sur dix. De plus grands écarts sont moins communs, mais toujours possibles. Une déviation de deux écarts-types se produit dans 5% des mesures, et trois écarts-types, 1%. Il y a aussi des erreurs systématiques reliées aux instruments de mesure. Ces erreurs ne sont pas de nature statistiques mais peuvent être réduites avec une connaissance accrue du détecteur. L’erreur expérimentale associée à chaque résultat correspond à un écart-type. Voici à titre d’exemple deux petites anomalies rapportées durant la conférence et qui ont attiré l’attention cette année.

La Collaboration ATLAS a montré un résultat préliminaire sur la production d’une paire de bosons W. La mesure de ce taux permet d’effectuer des vérifications détaillées du Modèle puisque les théoricien–ne-s peuvent prévoir combien de fois des paires de bosons W sont produites quand les protons entrent en collision dans Grand collisionneur de hadrons (LHC). Le taux de production dépend de l’énergie dégagée pendant ces collisions. Jusqu’ici, on peut faire deux mesures puisque le LHC a fonctionné à deux énergies différentes, soit 7 et 8 TeV.

Les expériences CMS et ATLAS avaient déjà publié leurs résultats basés sur les données recueillis à 7 TeV. Les taux mesurés excédaient légèrement les prédictions théoriques mais restaient tout de même à l’intérieur des marges d’erreur expérimentale avec des déviations de 1.0 et 1.4 écart-type, respectivement. CMS avait aussi publié des résultats basés sur environ 20% de toutes les données accumulées à 8 TeV. Le taux mesuré excédait légèrement la prédiction théorique par 1.7 écart-type. Le dernier résultat d’ATLAS ajoute un élément supplémentaire au tableau. Il est basé sur l’ensemble des données recueillies à 8 TeV. ATLAS obtient une déviation un peu plus forte pour le taux de production de deux bosons W à 8 TeV avec une déviation de 2.1 écarts-types par rapport à la prédiction théorique.

WWResultsLes quatre mesures expérimentales du taux de production de paires de bosons W (points noirs) avec l’incertitude expérimentale (barre horizontale) aussi bien que la prédiction théorique actuelle (triangle bleu) avec sa propre incertitude (bande bleue). On peut voir que toutes les mesures sont plus élevées que les prédictions actuelles, suggérant que le calcul théorique actuel n’inclut pas tout.

Chacune de ces quatre mesures est en bon accord avec la valeur théorique mais le fait qu’elles excèdent toutes cette prédiction commence à attirer l’attention. Très probablement, cela signifie que les théoriciens n’ont pas encore pris en compte toutes les petites corrections exigées par le Modèle standard pour déterminer ce taux suffisamment précisément. C’est un peu comme si on oubliait de noter quelques petites dépenses dans son budget, menant à un déficit non expliqué à la fin du mois. Il pourrait aussi y avoir des facteurs communs dans les incertitudes expérimentales, qui réduiraient l’importance globale de cette anomalie. Mais si les prédictions théoriques demeurent ce qu’elles sont, même en rajoutant toutes les petites corrections possibles, cela indiquerait l’existence de nouveaux phénomènes, ce qui serait passionnant. Il faudra alors surveiller l’évolution de cette mesure après la remise en marche du LHC en 2015 à plus haute énergie, soit 13 TeV.

La Collaboration CMS a présenté elle aussi un résultat intrigant. Un groupe de chercheur-e-s a trouvé quelques événements compatibles avec l’observation d’une désintégration d’un boson de Higgs en un tau et un muon. De telles désintégrations sont interdites dans le Modèle standard puisqu’elles enfreignent la conservation de la « saveur » leptonique. Il y a trois saveurs ou types de leptons chargés (une catégorie de particules fondamentales) : l’électron, le muon et le tau. Chacun vient avec son propre type de neutrinos. Dans toutes les observations faites jusqu’à présent, les leptons sont toujours produits soit avec leur propre neutrino, soit avec leur antiparticule. La désintégration d’un boson de Higgs en leptons devrait donc toujours produire un lepton chargé et son antiparticule, mais jamais deux leptons chargés de saveur différente. Il est tout simplement interdit d’enfreindre cette règle à l’intérieur du cadre du Modèle standard.

Il faudra vérifier tout cela avec plus de données, ce qui sera possible après la reprise du LHC l’année prochaine. Mais d’autres modèles de « nouvelle physique » permettent la violation de la saveur leptonique. Il s’agit de modèles comme ceux comprenant plusieurs doublets de Higgs ou des bosons de Higgs composites ou encore les modèles impliquant des dimensions supplémentaires comme ceux de Randall-Sundrum. Alors si avec plus de données ATLAS et CMS confirment que cette tendance correspond à un effet réel, ce sera une véritable révolution.

HtomutauLes résultats obtenus par la Collaboration CMS pour six types de désintégrations différentes. Tous donnent une valeur non-nulle, contrairement aux prédictions du Modèle standard, pour le taux de désintégration de bosons de Higgs en paires de tau et muon.

Pauline Gagnon

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One Response to “Deux petites anomalies remarquées”

  1. Fermin Saez Soler says:

    Pourriez-vous nous parler de la gravité et du temps qui serait lié, par rapport au spin de la théorie des cordes et celle des boucles.

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