Sur les traces d’une désintégration rare du kaon

Expérience NA62 dans la Zone Nord du CERN (Image : NA62/CERN)

Un événement qui a une chance sur dix milliards de se produire : la désintégration d'une particule de charge positive, appelée kaon, en une autre particule de charge positive, appelée pion, assortie d'une paire neutrino-antineutrino. Cet événement rare, qui n'a jamais été observé avec certitude, est quelque chose qui intéresse vivement les physiciens. En effet, le Modèle standard prédit, avec une incertitude de moins de dix pour cent, que le kaon choisira ce mode une fois tous les dix milliards de désintegrations. Un écart par rapport à cette prédiction, éventuellement révélé par une mesure précise de cette probabilité pourrait donc constituer une manifestation claire d'une physique au-delà du Modèle standard.

Lors d'un séminaire qui a eu lieu aujourd'hui au CERN, la collaboration NA62 a rendu compte d'un événement candidat pour cette désintégration ultra-rare du kaon, découvert au moyen d'une technique nouvelle de détection de désintégrations « en vol ». Même si cet événement unique ne peut pas être utilisé pour étudier une physique au-delà du Modèle standard, il démontre que cette technique est parfaitement adaptée et peut servir à récolter davantage d’événements lors de la prochaine campagne d'acquisition de données, qui commencera à la mi-avril. Les résultats ont également été présentés ce mois-ci à l'occasions des Rencontres de Moriond, à La Thuile (Italie).

Pour rechercher des désintégrations de kaons, l'équipe de NA62 a commencé par enrichir les faisceaux en kaons en bombardant une cible de béryllium à l’aide de protons de haute énergie issus du Supersynchrotron à protons (SPS). La collision crée un faisceau de près d'un milliard de particules par seconde, dont environ 6 % seulement sont des kaons. Ensuite, l'équipe envoie le faisceau sur un détecteur Tchérenkov, lequel identifie de façon certaine les kaons à partir du rayonnement Tchérenkov qu'ils produisent. Un détecteur à pixels au silicium détermine alors l'impulsion des kaons, avec une résolution temporelle de 100 picosecondes (une picoseconde = un millionième de millionième de seconde). Un dispositif appelé trajectographe à pailles, placé à l'intérieur d'une enceinte à vide, mesure alors l'impulsion des particules chargées produites par la désintégration des kaons, et un autre détecteur Tchérenkov, dit détecteur  « RICH » , détermine le type de particules dont il s'agit.   D'autres dispositifs, appelés calorimètres, permettent d'écarter les événements relevant du bruit de fond, qui contiennent des photons et des muons.

Dans l’analyse des données acquises en 2016, l'équipe NA62 a identifié un événement candidat pour la désintégration d'un kaon positif produisant un pion positif et une paire neutrino-antineutrino, laquelle n'est pas détectée. Le résultat a permis aux chercheurs de placer une limite supérieure à la fréquence relative, ou « rapport d'embranchement », de cette désintégration, soit 14 sur dix milliards. Le résultat est compatible avec la prédiction du Modèle standard, soit 8,4 pour 100 milliards (avec une incertitude de 1), mais il faudra disposer de plus de données pour pouvoir explorer les théories au-delà du Modèle standard, qui supposent des écarts conséquents par rapport à la valeur du Modèle standard.

L'événement candidat consistant en une désintégration rare du kaon. Les octogones montrent les impacts des photons du rayonnement Tcherenkov émis par la particule dans le détecteur RICH. Les cercles montrent les « anneaux Tchérenkov » prédits pour les pions positifs (+), les muons positifs (+) et les positons issus des désintégrations. (Image : NA62/CERN)

Cependant, il y a une différence entre les expériences de Brookhaven et NA62 : à Brookhaven, les événements observés étaient des désintégrations de kaons sur des particules s’arrêtant dans une cible, alors que, à NA62, il s'agit de particules en vol dans une enceinte à vide. Cette technique d'observation de particules en vol a des avantages, parce qu'elle laisse plus d'espace pour la détection des produits de la désintégration tout en limitant le bruit de fond.

L'équipe NA62 s'attend à trouver davantage d'événements correspondant à cette désintégration rare du kaon grâce à l'analyse d'un ensemble de données pris en 2017, et vingt fois plus volumineux. Elle reprendra la prise de données à la mi-avril, pour une durée record de 218 jours. Si tout se déroule comme prévu, la collaboration devrait être à même de mesurer le rapport d'embranchement de la désintégration avec une marge d’erreur suffisamment réduite pour permettre de tester avec précision la prédiction du Modèle standard. 

Pour en savoir plus, regardez le webcast à 11 h aujourd'hui.