La chasse aux leptoquarks est ouverte

Interactions dans CMS enregistrées début 2018. CMS passe au crible les collisions jusqu'à 40 millions de fois par seconde en quête de signaux d'hypothétiques particules comme les leptoquarks. (Image : Thomas McCauley/Tai Sakuma/CMS/CERN)

La matière est constituée de particules élémentaires, que le Modèle standard de la physique des particules sépare en deux grandes familles : celle des leptons (à laquelle appartiennent entre autres les électrons et les neutrinos) et celle des quarks (les particules constituant les protons et les neutrons). Dans le Modèle standard, ces deux familles sont totalement distinctes, car leurs charges électriques et leurs nombres quantiques sont différents (voir l’image ci-dessous) ; elles ont toutefois le même nombre de générations.

Cependant, des théories allant au-delà du Modèle standard, notamment certaines théories dites de grande unification, conjecturent que les leptons et les quarks s'unissent à hautes énergies et forment alors des leptoquarks. Ceux-ci apparaissent dans des théories qui visent à unifier les forces forte, faible et électromagnétique.

En physique, les tentatives d'« unification » sont monnaie courante. Pour prendre un exemple connu, l'électricité et le magnétisme ont été unifiés au XIXe siècle en une seule force, l'électromagnétisme, grâce aux élégantes formules mathématiques connues comme les équations de Maxwell. Pour ce qui est des leptoquarks, on suppose qu'il s'agirait de particules hybrides ayant à la fois les propriétés des leptons et celles des quarks, ainsi que le même nombre de générations. Elles pourraient donc se « séparer » pour former l'une ou l'autre de ces deux particules ; en outre, les leptons pourraient se transformer en quarks, et vice-versa. L'existence de ces particules hypothétiques pourrait également expliquer certaines anomalies détectées par les expériences LHCb, Belle et BaBar lorsqu'elles ont mesuré les propriétés des mésons B.

An image showing the the families and generations of quarks and leptons
Le Modèle standard de la physique des particules sépare les particules élémentaires constituant la matière en deux familles : les leptons et les quarks. Chaque famille compte six particules, regroupées par paires ou « générations ». Les particules les plus stables et légères constituent la première génération, alors que les plus lourdes et moins stables appartiennent à la deuxième et à la troisième générations. Les six sortes de leptons sont regroupés en trois générations – l'électron et le neutrino de l'électron, le muon et le neutrino du mu, et enfin le tau et le neutrino du tau. De même, les six sortes de quarks sont regroupées par paires dans chacune de ces générations – le quark u et le quark d forment la première génération, puis viennent le quark c et le quark s, et enfin le quark t et le quark b. (Image : Daniel Dominguez/CERN)

Si les leptoquarks existent bel et bien, ils doivent être très lourds et se transformer (ou se « désintégrer ») rapidement en leptons ou en quarks, des particules plus stables. Des expériences précédentes auprès du SPS et du LEP (CERN), ainsi qu'auprès d'HERA (DESY) et du Tevatron (Fermilab), ont étudié des désintégrations qui auraient pu produire des particules appartenant à la première et à la deuxième générations. Le Tevatron a été la première expérience à traquer des leptoquarks de la troisième génération (LQ3), et le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est à présent lui aussi sur leurs traces.

Étant donné que les leptoquarks devraient se transformer en un lepton et un quark, les scientifiques du LHC sont à la recherche de signatures caractéristiques qui apparaîtraient dans les « produits de désintégration ». Dans le cas des leptoquarks de la troisième génération, le lepton pourrait être un tau ou un neutrino du tau, et le quark un quark t ou un quark b.

Dans un article récent s'appuyant sur des données récoltées en 2016 à une énergie de 13 TeV, la collaboration CMS auprès du LHC a présenté les résultats de sa recherche de leptoquarks de la troisième génération, pour laquelle elle s'est concentrée sur les LQ3 produits dans les collisions qui se seraient transformés en paires formées d'un quark t et un lepton tau.

Les collisionneurs produisant à la fois des particules et des antiparticules, la collaboration CMS a donc cherché la présence potentielle de paires leptoquarks-antileptoquarks dans les événements contenant les restes d'un quark t, d'un antiquark t, d'un lepton tau et d'un antilepton tau. Comme les leptoquarks n'ont jamais été observés et qu'on ne connaît pas leurs propriétés, les physiciens s'appuient en outre sur des calculs sophistiqués prenant en compte des paramètres connus pour les chercher. Ces paramètres comprennent l'énergie des collisions et le bruit de fond attendu, avec comme contraintes les valeurs possibles de la masse et du spin de la particule hypothétique recherchée. Avec ces calculs, les scientifiques peuvent estimer combien de leptoquarks auraient pu être produits dans un ensemble de données provenant des collisions proton-proton, et combien auraient pu se désintégrer de manière à former des produits finaux que leurs détecteurs peuvent identifier.

Pour Roman Kogler, physicien de CMS ayant participé à cette aventure, « les leptoquarks sont devenus l'une des hypothèses les plus intéressantes pour élargir la portée de nos calculs, parce qu'ils permettent d'expliquer plusieurs des anomalies observées. Au LHC, nous faisons tout notre possible pour confirmer ou infirmer leur existence. »

Après avoir passé au crible les collisions à la recherche de caractéristiques spécifiques, les scientifiques de CMS n'ont pas remarqué de pic dans les données pouvant signaler l'existence de leptoquarks de la troisième génération. Ils ont donc conclu que tout LQ3 se transformant exclusivement en une paire quark t-tau devrait avoir une masse d'au moins 900 GeV, c'est-à-dire cinq fois plus lourde que celle du quark t, la particule la plus lourde jamais observée.

Ces nouvelles limites pour la masse des leptoquarks de la troisième génération, fixées par CMS, sont les plus étroites à ce jour. La collaboration CMS a aussi cherché des leptoquarks de la troisième génération se transformant en un lepton tau et un quark b, et a conclu que leur masse devrait être d'au moins 740 GeV. Il importe toutefois de garder à l'esprit que ces résultats proviennent de l'analyse d'une partie seulement des données collectées grâce au LHC à une énergie de 13 TeV, en 2016. Des recherches futures, qui seront menées par CMS et ATLAS et prendront en compte des données collectées en 2017 ainsi que pendant l'exploitation de 2018, permettront au LHC de continuer à mettre à l'épreuve des théories sur la nature fondamentale de notre Univers.

Lisez aussi « CMS searches for third-generation leptoquarks » (en anglais) dans le numéro d’avril 2018 du CERN Courier.