Cern: observation d’une nouvelle force fondamentale?

Lorsque la collision de flux de protons de haute énergie sur le LHC conduit à l’apparition de «quarks beauté», ces derniers se désintègrent presque aussitôt sur place. Des chercheurs de l’expérience LHCb (Large-Hadron-Collider-beauty) reconstituent les propriétés des particules composites à courte durée de vie à partir de leurs produits de désintégration. Les lois établies dans le domaine de la physique des particules – le Modèle standard – prévoient que les quarks beauté se désintègrent avec la même probabilité en électrons ou en muons - les jumeaux des électrons toutefois beaucoup plus lourds que ces derniers. Des mesures effectuées au LHC depuis 2014 indiquent toutefois que cette «universalité de la saveur des leptons» pourrait être mise à mal dans certaines désintégration. Ces désintégrations ont montré une certaine déviation du comportement des deux types de particules par rapport aux prédictions théoriques.

Les mesures de désintégration ne coïncident pas avec la physique des particules
Les nouveaux résultats déterminent le rapport entre les probabilités de désintégration avec une précision bien supérieure à celle des mesures précédentes et utilisent pour la première fois toutes les données recueillies par le détecteur LHCb jusqu'à présent. Le résultat montre une déviation de comportement, et ainsi une violation potentielle du principe de l'universalité de la saveur des leptons lors des désintégrations de quarks beauté. La probabilité que les données soient compatibles avec les prédictions du Modèle standard est d'environ 0,1%. Si cette déviation devait être confirmée, cela impliquerait un nouveau processus physique, comme l'existence d’une nouvelle interaction fondamentale en plus des quatre interactions de base: l’interaction gravitationnelle, l’interaction électromagnétique, l’interaction faible - responsable de la radioactivité -, et l’interaction forte, qui permet la cohésion de la matière. «Si une violation de l'universalité de la saveur des leptons devait être confirmée, cela impliquerait un nouveau processus physique, comme l'existence de nouvelles particules ou interactions fondamentales», explique le professeur Chris Parkes, de l'université de Manchester et porte-parole de LHCb au CERN. «D'autres études sur des processus connexes sont en cours à l'aide des données LHCb existantes. Nous sommes impatients de voir si elles renforcent les indices intrigants des résultats actuels.»

Les résultats ont été annoncés pour la première fois lors de la conférence des Rencontres de Moriond sur les interactions électrofaibles et les théories unifiées, ainsi que lors d'un séminaire organisé en ligne au Cern.

LHCb collaboration: R. Aaij et. al. Test of lepton universality in beauty-quark decays. arXiv.org. 23 March 2021.

L’expérience LHCb

L’expérience LHCb est l’une des quatre grandes expériences auprès du Grand collisionneur de hadrons du Cern, à Genève. L’expérience est conçue pour étudier les désintégrations de particules contenant un quark beauté, une particule fondamentale qui a environ quatre fois la masse du proton. Les mesures de précision obtenues sur les différences entre la matière et l’antimatière et les désintégrations rares des particules contenant un quark beauté rendent possible la réalisation de tests du modèle standard de la physique des particules.

«Si l’on se tourne vers l’avenir, l’expérience LHCb est bien placée pour clarifier l’existence potentielle d’effets de nouvelle physique évoqués dans les désintégrations présentées aujourd’hui», indique le Cern dans son communiqué de presse. L’expérience LHCb devrait commencer à recueillir de nouvelles données l’année prochaine, suite à une amélioration du détecteur.