Peter Higgs devant le détecteur CMS au Cern. Celui-ci semble bel et bien avoir détecté le boson de Higgs mais pour le moment aucun leptoquark. © Maximilien Brice-Cern

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Des nouvelles de la chasse aux leptoquarks avec le LHC

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Plusieurs extensions du modèle standard, en particulier des théories de Grande Unification comme celle de Pati-Salam, prévoient l'existence de leptoquarks, capables de changer des quarks en leptons et de provoquer la désintégration du proton. Traqués depuis des décennies, ils sont maintenant chassés au LHC.

Au début des années 1970, les succès grandissants du modèle des hadrons basé sur la théorie des quarks et les premières confirmations de la pertinence des théories de jauge, en particulier du modèle électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg, poussent quelques théoriciens audacieux à franchir une étape de plus en envisageant déjà des théories unifiées des forces alors que ni la chromodynamique quantique, et encore moins la théorie électrofaible, n'étaient encore assises sur des bases indiscutables.

C'est ainsi que dès 1972, Jogesh Pati et Abdus Salam vont développer une théorie unifiant à la fois les quarks et leptons et les forces nucléaires fortes et électrofaibles.

Jogesh C. Pati (né en 1937 à Baripada, Orissa, Inde) est un physicien théoricien américain d'origine indienne ayant proposé des théories importantes pour unifier les forces et les particules de la nature. © Slac, Stanford University

Des préons composant quarks et électrons

Une seconde version naîtra à partir de 1975, faisant intervenir une structure composite pour les quarks et les leptons qui cessaient donc d'être des particules élémentaires. De nos jours, on connaît ces travaux sous le nom de modèle de Pati-Salam.

Ce qui est moins connu, c'est que le modèle de Pati-Salam a inspiré la plus célèbre des théories de Grande Unification (GUT) celle de Georgi-Glashow reposant sur le groupe de Lie SU(5). On doit aussi à Jogesh Pati le mot de « préon » pour des particules plus élémentaires que les quarks et les leptons et qu'ils constitueraient. C'est encore le modèle de Pati-Salam qui inspirera la plus célèbre des théories des préons, celle des rishons de Harari.

Dans ce tableau faisant penser à celui de Mendeleïev, on voit clairement que les quarks et les leptons sont rassemblés en 3 familles (generations en anglais). © Wikipédia

Une des conséquences observables du modèle de Pati-Salam est l'existence de boson Z' et surtout de leptoquarks. Ces leptoquarks permettraient de mieux comprendre l'existence de 3 familles de leptons et de quarks décrits par le modèle électrofaible et la fameuse matrice de Kobayashi-Maskawa. Les régularités que l'on peut voir dans le tableau des particules élémentaires ci-dessus pointent en effet vers une explication en symétrie, comme constaté plusieurs fois dans l'histoire des particules élémentaires. Ces symétries se traduisent souvent par la présence de nouvelles particules.

Un des événements observés en 2010 par CMS et qui pourrait trahir l'existence des leptoquarks. Mais il pourrait s'agir d'une coïncidence avec des réactions classiques dans le modèle standard mimant la désintégration d'une paire de leptoquarks. © Cern

En l'occurrence, l'existence de leptoquarks impliquerait qu'il soit possible de transformer des quarks d'une famille en des leptons d'une autre famille et inversement. Ces changements interviendraient avec l'émission ou l'absorption de ces nouvelles particules par les quarks et les leptons se transformant les uns dans les autres.

Des leptoquarks chassés avec Super Kamiokande et le LHC

Ces processus seraient très rares et difficiles à mettre en évidence. Mais comme ils pourraient conduire à une désintégration du proton, on a cherché et on cherche encore à les détecter. De fait, c'est initialement pour observer cette désintégration que l'on a conduit l'ancêtre du détecteur, Super Kamiokande, qui a permis de résoudre l'énigme des neutrinos solaires.

Les résultats concernant la désintégration du proton sont restés négatifs jusqu'à présent. Mais comme d'autres extensions du modèle standard faisant intervenir des leptoquarks ont été proposées, en particulier avec des masses accessibles aux expériences en accélérateurs, leur existence a été recherchée dans les collisions à très hautes énergies.

Les membres de la collaboration CMS ont ainsi cherché dans les débris de plus de 500.000 milliards de collisions de protons pendant l'année 2011 des signatures caractéristiques de la présence des leptoquarks. L'une d'elles est la désintégration d'une paire de leptoquark-antileptoquark en deux jets d'hadrons avec deux électrons comme celle que l'on voit sur l'image ci-dessus. Les chercheurs du Cern ont publié leur résultat dans un article disponible sur arxiv.

Si quelques événements dans CMS ressemblent effectivement à la désintégration de leptoquarks, on ne peut en déduire que ceux-ci existent. Si tel est pourtant le cas, ils doivent être encore plus massifs que ce que l'on avait déduit comme borne lors de précédentes expériences.