LHCb, l'un des détecteurs géants du Cern étudiant les collisions des faisceaux de protons du LHC. On y chasse les désintégrations rares de mésons contenant des quarks b. Ces mésons sont une fenêtre potentielle sur une nouvelle physique, en particulier celle pouvant expliquer pourquoi la matière domine largement l'antimatière dans le cosmos observable. © Cern

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LHCb a-t-il vu des traces du boson Z' de la théorie des cordes ?

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Par Laurent Sacco, Futura

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Le Cern vient d'annoncer qu'il existait plusieurs anomalies dans les désintégrations des mésons B. Aucune n'est significative mais l'ensemble pourrait bien pointer sérieusement en direction d'une nouvelle physique qui serait une manifestation de la théorie des cordes, ou, peut-être, d'une géométrie non commutative de l'espace-temps. Mais la prudence s'impose.

  • Les mésons B permettent de traquer à basses énergies des failles éventuelles dans le Modèle standard.
  • Du Tevatron au LHC, depuis plus d'une décennie, on a cru trouver des traces de cette nouvelle physique mais jusqu'à présent en vain.
  • Des anomalies impliquant les mésons B sont peut-être en train de se combiner pour annoncer ce Graal de la physique.
  • Elles pourraient correspondre à l'existence de nouvelles particules, comme le boson Z' ou un leptoquark qui change un quark en lepton.

Les mésons B sont depuis longtemps d'excellents laboratoires pour tenter de surprendre des effets indirects à basses énergies d'une nouvelle physique, au-delà du Modèle standard. Ils pourraient notamment nous permettre de mieux comprendre l'énigmatique asymétrie entre matière et antimatière qui aurait favorisé la production de matière au moment du Big Bang, éliminant l'antimatière cosmologique dans l'univers observable.

Ces laboratoires sont si intéressants que les chercheurs du Cern ont consacré une seule expérience géante, avec le détecteur LHCb, pour étudier la physique des mésons B. L'attention se concentre actuellement d'autant plus sur ces particules qu'avec la physique des neutrinos, ils pourraient bien être les seules fenêtres d'accès à une nouvelle physique. La découverte du boson de Brout-Englert-Higgs signifie malheureusement, peut-être, en raison de sa masse, qu'aucune autre nouvelle particule ne pourra être découverte par un accélérateur sur Terre. Dans ce cas, en effet, le Modèle standard pourrait être valable jusqu'à l'énergie de Planck (presque un million de milliards de fois plus élevée que celle des collisions réalisées au LHC), comme l'avait expliqué à Futura le physicien Julien Baglio.

L'expérience LHCb et l'énigme de l'asymétrie matière-antimatière. Pour voir les sous-titres en français, cliquer sur « CC » dans la barre en bas de la vidéo. © CernTV, YouTube

Les multiples désintégrations des mésons B

Mais au fait, que sont les mésons B ? Ce sont des particules composites formés de deux quarks dont l'un est au moins l'antiparticule du quark beau (b), l'une des six « saveurs » de quarks. Certains contiennent donc un quark étrange (s), d'autres un quark charmé (c) ou même un quark beau (on obtient alors un bottomonium, encore appelé bottomium). Certains de ces mésons sont électriquement neutres, les B0, d'autres sont chargés comme le B+.

Ils peuvent se désintégrer selon un très grand nombre de canaux de désintégration. On peut calculer les probabilités relatives de leur désintégration selon ces diverses réactions à l'aide du Modèle standard et les comparer à l'expérience. Les physiciens jouent à ce jeu depuis un bon moment et de légères différences ont périodiquement été trouvées, sans pouvoir être confirmées, au défunt Tevatron comme au LHC (voir l'article précédent de Futura ci-dessous).

Les chercheurs du Cern viennent d'ailleurs d'annoncer qu'ils avaient découvert avec LHCb un nouvel écart de ce genre. A priori, comme il ne s'agit que d'une déviation de l'ordre de 2,2 à 2,5 sigma dans deux canaux de désintégration d'un méson B0, ce n'est nullement significatif. Il faudrait avoir au moins 3 sigma pour que l'on commence à s'exciter et au moins 5 sigma pour annoncer une découverte. Mais comme cette anomalie est similaire à une autre, déjà constatée, l'observation pourrait être davantage qu'une simple fluctuation statistique.

Mais de quelle nouvelle physique pourrait-il s'agir ?

Des diagrammes de Feynman montrant des explications possibles pour les anomalies découvertes avec les méson B0. Les antiquarks b (notés b surmonté d'une barre) peuvent se changer en antiquarks étranges en donnant un boson Z' ou un leptoquark Δ lesquels donnent des leptons (l+ et l-). © Cern

Une violation de l'universalité leptonique via le modèle de Pati-Salam ?

En l'occurrence, les anomalies découvertes sont une violation de « l'universalité leptonique », une conséquence claire des équations du Modèle standard. Les électrons et les muons ont des masses différentes mais ils devraient se comporter de la même façon quand ils interagissent avec les bosons intermédiaires du modèle électrofaible, comme le boson Z0. Dit d'une autre façon, tout comme les corps tombent de la même façon dans un champ de gravité, qui est une interaction universelle, les leptons devraient se coupler aux forces électrofaibles de la même façon et seules des différences de masses devraient légèrement modifier certaines des réactions auxquelles ils participent.

Si tel est bien le cas, on peut expliquer ces différences en invoquant l'intervention de nouvelles particules qui peuvent être une manifestation de la théorie des cordes mais aussi du modèle de Pati-Salam incorporée dans la théorie unitaire basée sur la géométrie non commutative d’Alain Connes. Il pourrait s'agir d'un boson Z' ou d'un leptoquark Δ (voir le schéma ci-dessus).

La prudence s'impose cependant. Il va falloir attendre que LHCb affine ses mesures et accumule de la statistique pour savoir si nous sommes effectivement à l'aube d'une nouvelle ère en physique des particules.

Pour en savoir plus

Les mésons B, une fenêtre sur une nouvelle physique au LHC ?

Article de Laurent Sacco publié le 12/08/2013

On a cru un temps que le boson Z' pointait le bout de son nez dans les collisions de protons et d'antiprotons au Tevatron. Il n'en était rien. Ce mythique boson, souvent associé à la théorie des supercordes, aurait peut-être été repéré dans le détecteur LHCb au Cern. Des résultats intéressants de désintégration de mésons B ont été publiés.

Les travaux qui permettront au LHC d'atteindre de nouveaux sommets d'énergie et de luminosité dans des collisions de protons sont toujours en cours, et ils ne seront pas achevés cette année. Toutes les données collectées par les détecteurs, comme Atlas et CMS, n'ont pas encore été complètement analysées, on peut donc espérer quelques surprises. Cela n'empêche pas non plus les ingénieurs et les physiciens de plancher sur des successeurs du LHC, comme le Lep3. Quant au nouvel accélérateur, l'ILC, son étude sur le papier est terminée et il manque seulement la décision politique pour qu'il soit réalisé. Son but sera de mesurer avec précision les propriétés du boson de Higgs, en espérant qu'elles traduisent l'existence d'une nouvelle physique.

Cette nouvelle physique, à la grande déception des chercheurs, n'a pas été découverte dans les collisions de protons faites avec le LHC. C'est donc avec un certain intérêt, mais aussi en gardant la tête froide, que la communauté des physiciens des hautes énergies considère en ce moment la publication de résultats concernant la désintégration de mésons B en un kaon K et une paire de muon-antimuon.

Ces désintégrations ont été étudiées expérimentalement par des membres de la collaboration LHCb. Il s'agit d'un des quatre détecteurs géants du LHC. LHCb est spécifiquement destiné à l'étude de la violation CP et à la recherche de désintégrations rares pouvant faire ressortir de la nouvelle physique avec les mésons B, encore appelés mésons beaux. Ces mésons tirent leur nom du fait qu'ils contiennent un quark b ou un antiquark b. À travers la violation CP, on espère en particulier y trouver des réponses pour résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique.

En analysant soigneusement les résultats expérimentaux de LHCb concernant la désintégration B → K*μ+μ-, un groupe de chercheurs français et espagnols vient de rencontrer un problème. Comme l'expliquent Sébastien Descotes-Genon, de l'université d'Orsay, et Joaquim Matias Espona en compagnie de Javier Virto de l'université autonome de Barcelone dans un article déposé sur arxiv, le modèle standard n'explique pas les caractéristiques observées dans cette réaction.

Le boson Z', le serpent de mer de la théorie des cordes

Il faut bien garder à l'esprit que le désaccord n'atteint pas encore le niveau des 5 sigma, celui exigé pour faire une découverte : il n'est qu'à 4,5 sigma. Mais ce qui fait un peu rêver, c'est la possibilité d'expliquer ces résultats en faisant intervenir l'existence d'un cousin du boson Z du modèle standard.

Ce cousin, que l'on appelle un boson Z' (boson z prime) est en quelque sorte le serpent de mer de la nouvelle physique. Il pourrait être une manifestation à basse énergie de théories Gut (théorie de grande unification) ou de type Kaluza-Klein, à l'instar de celles contenues dans la théorie des supercordes. Comme dans le cas du modèle standard, ce boson Z' découlerait de l'existence de symétries associées à la théorie des groupes.

Le scepticisme est tout de même de rigueur. On se souvient en effet que des signes de l'existence du boson Z' semblaient avoir été repérés au Tevatron. Mais finalement, c'était une fausse alerte. Cependant, les résultats expérimentaux étudiés par les chercheurs sont ceux de l'année 2011. Des données supplémentaires, celles de l'année 2012, permettront peut-être d'y voir plus clair.

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