Les expériences CMS et LHCb révèlent une désintégration rare

Représentation d'un événement candidat pour la désintégration d'un méson B0s en deux muons dans le détecteur LHCb. (Image: LHCb/CERN)

Dans un article publié aujourd’hui dans Nature, les collaborations CMS et LHCb décrivent la première observation d’une désintégration très rare de la particule B0s en deux muons. D’après les prédictions du Modèle standard, la théorie qui décrit de la façon la plus satisfaisante le monde des particules, ce processus subatomique rare se produit quatre fois sur un milliard de désintégrations, mais il n’avait jamais été constaté auparavant. L’analyse s’appuie sur des données prises auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) en 2011 et 2012. Ces données contiennent également des indices d'une désintégration similaire, mais encore plus rare, celle du B0, une particule cousine du B0s, en deux muons.

Représentation d'un événement candidat pour la désintégration d'un méson B0s en deux muons dans le détecteur CMS. (Image: CMS event display/CERN)

Les particules B0s et B0 sont des mésons, autrement dit, des particules subatomiques non élémentaires, instables, constituées d’un quark et d’un antiquark liés ensemble par l’interaction forte. Ce type de particule n'est produit que dans des collisions à haute énergie, soit dans des accélérateurs de particules, soit dans la nature, par exemple dans les rayons cosmiques. Ce résultat aura des conséquences importantes pour la quête d'une physique au-delà du Modèle standard.

Mis au point au début des années 1970, le Modèle standard est actuellement la meilleure description existante du monde subatomique. Il arrive à expliquer la quasi-totalité des résultats expérimentaux en physique des particules et a prédit avec précision toute une série de phénomènes. Toutefois, il ne permet pas de répondre à certaines questions importantes, par exemple : « qu'est-ce que la matière noire ? » ou « qu’est-il arrivé à l'antimatière après le Big Bang? ». C’est pourquoi les expériences auprès du LHC s’efforcent de trouver des indices d’une « nouvelle » physique, qui permettrait de résoudre certaines de ces énigmes. Il existe deux stratégies complémentaires pour sonder cette physique dite « au-delà » du Modèle standard, toutes deux utilisées par les expériences du LHC. La stratégie directe, qui consiste à chercher de nouvelles particules prédites par les modèles théoriques qui vont au-delà du Modèle standard, tels que la supersymétrie, et la stratégie indirecte, qui consiste à tester le Modèle standard sur les prédictions qu’il fait concernant des désintégrations très rares. Tout écart entre les résultats expérimentaux sur ces processus très rares et les prédictions du Modèle standard serait un indice de nouvelle physique. C’est la démarche adoptée par les expériences CMS et LHCb en étudiant les désintégrations rares des particules B0s et B0.

Les collaborations CMS et LHCb ont d’abord publié leurs résultats propres concernant la désintégration du méson B0s en juillet 2013. Même si ces résultats concordaient parfaitement, ils se trouvaient juste en dessous de la limite statistique de 5 sigmas traditionnellement requise pour qu’on puisse parler d’observation. L’analyse combinée dépasse largement cette limite, puisqu’elle atteint 6,2 sigmas. C’est la première fois que CMS et LHCb ont analysé leurs données conjointement.

Cette analyse combinée montre que la probabilité de désintégration du méson B0s en deux muons et la probabilité de désintégration du méson B0 en deux muons sont en accord avec les prédictions du Modèle standard. Jusqu’à présent, ces désintégrations rares n’ont donc pas révélé d’indice de nouvelle physique. Toutefois, les données qui seront recueillies lors des futures exploitations du LHC augmenteront la précision de la mesure concernant le B0s et détermineront si les indices de la désintégration associée du B0 sont confirmés. Ces résultats seront cruciaux pour démêler d’éventuels signes de nouveaux phénomènes sortant du cadre du Modèle standard et permettront de progresser dans la recherche d’une nouvelle physique.

Lire le communiqué de presse consacré à ce résultat.
Lire l’article de LHCb (en anglais seulement).
Lire l'information de CMS (en anglais seulement).
Voir la publication dans Nature (en anglais seulement).