Nouvelle physique fondamentale ? Phénomènes inexplicables de l'expérience du grand collisionneur de hadrons

Expérience entièrement reconstituée. Les particules identifiées comme des pions, des kaons, etc. sont représentées en différentes couleurs. Crédit : CERN, collaboration LHCb

Résultats annoncés par l'expérience Large Hadron Collider Experiment (LHCb) à CERN ont révélé d'autres indices de phénomènes qui ne peuvent être expliqués par notre théorie actuelle de la physique fondamentale.

Maintenant, autres mesures par des physiciens du laboratoire Cavendish de Cambridge ont trouvé des effets similaires, renforçant les arguments en faveur d'une nouvelle physique.

Le modèle standard décrit toutes les particules connues qui composent l'univers et les forces par lesquelles elles interagissent. Il a réussi tous les tests expérimentaux à ce jour, et pourtant les physiciens savent qu'il doit être incomplet. Il n'inclut pas la force de gravité, ni ne peut rendre compte de la façon dont la matière a été produite au cours de la Big Bang, et ne contient aucune particule qui pourrait expliquer la mystérieuse matière noire qui, selon l'astronomie, est cinq fois plus abondante que la matière qui compose le monde visible qui nous entoure.

En conséquence, les physiciens recherchent depuis longtemps des signes de physique au-delà du modèle standard qui pourraient nous aider à résoudre certains de ces mystères.

Une des meilleures façons de recherche pour de nouvelles particules et forces est d'étudier des particules connues sous le nom de quarks de beauté. Ce sont des cousins ​​exotiques des quarks up et down qui constituent le noyau de chaque atome.

Les quarks de beauté n'existent pas en grand nombre dans le monde car ils ont une durée de vie incroyablement courte - survivant en moyenne juste un billionième de seconde avant de se transformer ou de se désintégrer en d'autres particules. Cependant, des milliards de quarks de beauté sont produits chaque année par l'accélérateur de particules géant du CERN, le Large Hadron Collider, qui sont enregistrés par un détecteur spécialement conçu à cet effet appelé LHCb.

La façon dont les quarks de beauté se désintègrent peut être influencée par l'existence de forces ou de particules non découvertes. En mars, une équipe de physiciens de LHCb a publié des résultats montrant que les quarks de beauté se désintégraient moins souvent en particules appelées muons qu'en leurs cousins ​​plus légers, les électrons. Ceci est impossible à expliquer dans le modèle standard, qui traite de manière identique les électrons et les muons, si ce n'est que les électrons sont environ 200 fois plus légers que les muons. En conséquence, les quarks de beauté devraient se désintégrer en muons et en électrons à des taux égaux. Au lieu de cela, les physiciens de LHCb ont découvert que la désintégration des muons ne se produisait qu'environ 85 % aussi souvent que la désintégration des électrons.

La différence entre le résultat de LHCb et le modèle standard était d'environ trois unités d'erreur expérimentale, ou « 3 sigma », comme on l'appelle en physique des particules. Cela signifie qu'il n'y a qu'environ une chance sur mille que le résultat soit causé par un coup de chance statistique.

En supposant que le résultat soit correct, l'explication la plus probable est qu'une nouvelle force qui attire les électrons et les muons avec des forces différentes interfère avec la façon dont ces quarks de beauté se désintègrent. Cependant, pour être sûr que l'effet est réel, il faut plus de données pour réduire l'erreur expérimentale. Ce n'est que lorsqu'un résultat atteint le seuil de « 5 sigma », lorsqu'il y a moins d'une chance sur un million qu'il soit dû au hasard, que les physiciens des particules commenceront à le considérer comme une véritable découverte.

"Le fait que nous ayons constaté le même effet que nos collègues en mars augmente certainement les chances que nous soyons véritablement sur le point de découvrir quelque chose de nouveau", a déclaré le Dr Harry Cliff du laboratoire Cavendish. "C'est formidable d'éclairer un peu plus le puzzle."

Aujourd'hui résultat ont examiné deux nouvelles désintégrations du quark beauté de la même famille de désintégrations que celles utilisées dans le résultat de mars. L'équipe a trouvé le même effet - les désintégrations de muons ne se produisaient qu'environ 70% aussi souvent que les désintégrations d'électrons. Cette fois, l'erreur est plus grande, ce qui signifie que l'écart est d'environ '2 sigma', ce qui signifie qu'il y a un peu plus de 2 % de chances que cela soit dû à une bizarrerie statistique des données. Bien que le résultat ne soit pas concluant en soi, il ajoute un soutien supplémentaire à une pile croissante de preuves qu'il existe de nouvelles forces fondamentales qui attendent d'être découvertes.

"L'excitation au Large Hadron Collider grandit juste au moment où le détecteur LHCb amélioré est sur le point d'être activé et de nouvelles données collectées qui fourniront les statistiques nécessaires pour affirmer ou réfuter une découverte majeure", a déclaré le professeur Val Gibson, également du Laboratoire Cavendish.