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LHCb et CMS combinent leurs forces pour chasser une nouvelle physique

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Il a fallu deux ans pour préparer la seconde campagne de prise de données au LHC. Mais entretemps, les physiciens ont continué à analyser celles collectées au début des années 2010. En combinant les résultats, les membres des collaborations CMS et LHCb annoncent avoir découvert une désintégration très rare de méson. Elle pourrait aider à découvrir une nouvelle physique.

Représentation d’un événement candidat pour la désintégration d’un méson B0s en deux muons dans le détecteur CMS. © Thomas McCauley, Cern, CMS collaboration

Dans la nuit du 9 au 10 avril 2015, au Cern, un faisceau de protons a battu le record d'énergie jamais atteint par un accélérateur de particules sur Terre. Mais les protons à 6,5 TeV contenus dans ce faisceau et ceux qui ont circulé ultérieurement aux mêmes énergies ne sont pas encore entrés en collision. Ils n'ont donc pas servi à pénétrer dans un nouveau territoire de la connaissance où se cachent peut-être des signes d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Ceux qui sont entrés en collision avec des énergies de 0,9 TeV le 5 mai 2015 n'ont pas non plus permis de tenter de lever le voile sur les mystères de la matière noire et de l'antimatière, car ils avaient des énergies inférieures à ceux des protons utilisés dans la précédente campagne de prise de données du LHC qui avait conduit à la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs.

Le « second run » du LHC comme l'appellent les chercheurs du Cern ne devrait cependant pas tarder à commencer avec des collisions inédites à 13 TeV. Mais il ne faudrait pas croire que tout le potentiel des découvertes possibles avec les données collectées lors du précédent run a été épuisé. En témoigne d'ailleurs un article publié dans Nature par des membres des collaborations CMS et LHCb. On peut le trouver en accès libre sur arXiv. Les physiciens ayant dépouillé les informations fournies par ces deux détecteurs géants il y a plusieurs années, en 2011 et 2012 plus précisément, y affirment avoir observé quelques désintégrations de particules très rares prédites par le modèle standard, mais qui pouvaient trahir l'existence d'une nouvelle physique, comme celle de la supersymétrie.

Découvrez une présentation de la collaboration LHCb au Cern dans cette vidéo. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en français devraient alors apparaître. © Cern, YouTube

Dans le cas présent, les chercheurs se sont intéressés aux modes de désintégrations de certains mésons B qui en possèdent plusieurs chacun. Rappelons que les mésons sont formés d'un quark et d'un antiquark. À l'origine du nom des mésons B, on trouve celui de l'un de ces quarks qui fait partie des six saveurs de quarks connues, en l'occurrence un quark b appelé encore quark beau. Les désintégrations des mésons B sont surtout étudiées expérimentalement par des membres de la collaboration LHCb spécifiquement destinée à l'étude de la violation CP. À travers la violation CP, on espère en particulier trouver des réponses pour résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique.

Le méson qui a fourni le signal le plus clair dans les détecteurs CMS et LHCb est un mésonB0s.Comme son symbole l'indique, sa charge électrique est neutre (0) et il contient un quark s encore appelé quark étrange du fait qu'il possède un nombre quantique conservé analogue à la charge électrique, baptisé l'étrangeté.

Une désintégration de mésons B avec quatre chances sur un milliard

Ce méson B0possède quatre chances sur un milliard de se désintégrer en donnant deux muons d'après les équations du modèle standard. En juillet 2013, les membres de CMS et LHCb avaient déjà fait état de façon indépendante des premières observations de ce canal de désintégration fort rare. Mais les données accumulées et surtout analysées à l'époque ne permettaient pas encore de parler d'une découverte. En terme technique, dans le jargon des physiciens, le signal observé se détachait du bruit de fond des collisions avec un écart inférieur à 5 sigmas, le seuil à atteindre pour parler d'une découverte et pas seulement d'une observation. Il pouvait donc s'agir d'un simple hasard, une fluctuation statistique, du bruit mimant en quelque sorte quelques « notes de musiques » dans chacun des détecteurs.

Nullement découragés, les physiciens avaient entrepris de combiner les mesures des deux détecteurs pour disposer d'une meilleure statistique comme ils disent. L'article de Nature fait maintenant état d'une véritable découverte, car le signal est maintenant de 6,2 sigmas. Les chercheurs y font état aussi de la présence d'indices d'une désintégration similaire, mais encore plus rare, celle du B0, une particule cousine du B0s, en deux muons.

Pour le moment, les caractéristiques de ces désintégrations apparaissent encore comme parfaitement compatibles avec les prédictions du modèle standard, mais des bases ont été posées pour que le second run du LHC qui permettront peut-être de découvrir des effets fins qui lui échappent en liaison avec les désintégrations de ces mésons. Affaire à suivre avec la plus grande attention.

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