Tout vient à point à qui sait attendre. Le dernier résultat de la collaboration LHCb marque une étape importante dans une quête remontant à plusieurs décennies. Lors d’un séminaire tenu au CERN aujourd’hui, la collaboration LHCb a annoncé avoir observé des indices probants d’une désintégration d’une particule de beauté se produisant une fois sur dix milliards, et est la première à arriver à ce résultat en utilisant les données d’une seule expérience.

Cette désintégration est celle d’une particule contenant un quark beauté et un antiquark down, appelée B_d, en une paire de muons (μ⁺μ^–). Ce nouveau résultat, conforme aux prédictions théoriques, fixe des limites pour d’éventuelles nouvelles particules au-delà du Modèle standard.

La physique quantique décrit comment les désintégrations de particules peuvent être influencées par d’autres particules. Mesurer avec précision cette désintégration pourrait donc révéler des signes de nouvelles particules trop lourdes pour pouvoir être produites directement dans les collisions au LHC. En général, plus une désintégration est rare, plus elle est sensible à l’influence de nouvelles particules.

B_d → μ⁺μ^– fait partie d’un sous-ensemble de désintégrations tellement rares qu’elles sont considérées depuis longtemps comme des canaux privilégiés pour la recherche d’une nouvelle physique. Il s’agit des désintégrations comprenant l’annihilation d’un quark beauté et d’un antiquark (de charge opposée), l’énergie libérée produisant un muon (particule semblable à l’électron, mais plus lourde) et son antiparticule. En 2015, une analyse conjointe des collaborations LHCb et CMS avait abouti à la première observation de B_s → μ⁺μ^–, et également à la revendication de premiers indices probants du processus B_d → μ⁺μ^–. Toutefois, les analyses menées ultérieurement avec des données collectées jusqu’en 2018, n’avaient pas permis de confirmer le processus B_d → μ⁺μ^–. La désintégration B_s → μ⁺μ^– ne se produit qu’environ trois fois sur un milliard de désintégrations de particules de beauté, mais B_d → μ⁺μ^– est encore plus rare, avec une fréquence prédite environ trente fois plus faible.

En 2024, une mise à niveau majeure de l’expérience LHCb a permis de collecter des données cinq fois plus rapidement qu’entre 2010 et 2018. Cette mise à niveau a également renforcé la capacité du détecteur à distinguer les différents types de particules. Ces améliorations, associées à l’application de techniques d’apprentissage automatique, ont permis à l’équipe de LHCb d’atténuer l’énorme bruit de fond constitué de processus qui auraient sinon rendu inaudibles les signaux issus de ces désintégrations rares.

« Les physiciens traquent cette désintégration depuis plus de quarante ans, explique Marco Santimaria, qui codirige l’équipe internationale de 19 personnes ayant réalisé les analyses. Il faut une précision extrême pour extraire les muons d’un bruit de fond écrasant. »

Pour qu’il soit possible de revendiquer l’existence d’indices probants d’un phénomène nouveau, un résultat doit avoir une signification statistique de trois écarts-types, soit une probabilité de seulement 0,3 % que le signal se produise de manière aléatoire. Les données collectées par l’expérience LHCb entre 2024 et 2025 ont révélé des indices probants de la désintégration B_d → μ⁺μ^– avec une signification statistique de 3,0 écarts-types. En combinant ces données avec celles collectées entre 2011 et 2018, on arrive à une signification statistique de 3,2 écarts-types, soit bien au-delà du seuil communément admis. Dans la même analyse, l’équipe a également réalisé les mesures les plus précises jamais obtenues de la désintégration B_s → μ⁺μ^–, dont l’observation était déjà confirmée.

Les travaux se poursuivront pour confirmer la désintégration B_d → μ⁺μ^– avec une signification statistique de cinq écarts-types. Il s’agirait alors de la désintégration la plus rare d’une particule de beauté jamais observée.

Le démarrage du LHC à haute luminosité (HiLumi LHC) en 2030 et la mise à niveau de LHCb prévue pour le milieu de la prochaine décennie pourraient accroître encore d’un ordre de grandeur le taux de collecte de données. « Observer des indices de cette désintégration rare est extrêmement prometteur, car cela ouvre de nouvelles possibilités d’exploration en dehors de la portée directe du LHC, explique Harry Cliff, coordinateur pour les désintégrations rares et coresponsable des analyses à LHCb. La future mise à niveau de LHCb nous permettra d’observer un nombre beaucoup plus important de ces désintégrations, et apportera une sensibilité encore plus grande à des particules encore non observées. »

Pour plus d’informations, voir : https://lhcb-outreach.web.cern.ch