Des physiciens pourraient avoir découvert une « nouvelle force de la nature » grâce à l’expérience du LHC

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a suscité l’enthousiasme du monde entier en mars, lorsque les physiciens des particules ont rapporté des preuves alléchantes d’une nouvelle physique, voire d’une nouvelle force de la nature.

Aujourd’hui, un nouveau résultat, qui n’a pas encore fait l’objet d’un examen par les pairs, obtenu à l’aide du gigantesque collisionneur de particules du CERN, semble confirmer cette idée.

Notre meilleure théorie actuelle des particules et des forces est connue sous le nom de modèle standard, qui décrit avec une précision infaillible tout ce que nous savons sur les éléments physiques qui composent le monde qui nous entoure.

Le modèle standard est sans aucun doute la théorie scientifique la plus aboutie jamais écrite et pourtant, en même temps, nous savons qu’elle doit être incomplète.

Il est bien connu qu’il ne décrit que trois des quatre forces fondamentales – la force électromagnétique et les forces forte et faible, sans tenir compte de la gravité. Elle n’explique pas la matière noire qui, selon l’astronomie, domine l’Univers, et ne peut expliquer comment la matière a survécu au Big Bang.

La plupart des physiciens sont donc convaincus que d’autres ingrédients cosmiques doivent encore être découverts, et l’étude d’une variété de particules fondamentales appelées quarks de beauté est un moyen particulièrement prometteur d’obtenir des indices sur ce qui pourrait exister.

Les quarks de beauté, parfois appelés quarks de fond, sont des particules fondamentales, qui à leur tour constituent des particules plus grosses. Il existe six saveurs de quarks qui sont doublées haut, bas, étrange, charme, beauté/fond et vérité/sommet. Les quarks hauts et bas, par exemple, constituent les protons et les neutrons du noyau atomique.

Les quarks de beauté sont instables, ne vivant en moyenne que pendant environ 1,5 trillionième de seconde avant de se désintégrer en d’autres particules. La façon dont les quarks de beauté se désintègrent peut être fortement influencée par l’existence d’autres particules ou forces fondamentales.

Lorsqu’un quark de beauté se désintègre, il se transforme en un ensemble de particules plus légères, comme les électrons, sous l’influence de la force faible. L’une des façons dont une nouvelle force de la nature pourrait se faire connaître à nous est de modifier subtilement la fréquence de désintégration des quarks de beauté en différents types de particules.

L’article publié en mars est basé sur les données de l’expérience LHCb, l’un des quatre détecteurs de particules géants qui enregistrent les résultats des collisions à très haute énergie produites par le LHC. (Le “b” de LHCb signifie “beauté”).

Il a découvert que les quarks de beauté se décomposaient en électrons et en leurs cousins plus lourds appelés muons à des rythmes différents. Cette découverte était vraiment surprenante car, selon le modèle standard, le muon est en fait une copie carbone de l’électron – identique en tous points, sauf qu’il est environ 200 fois plus lourd.

Cela signifie que toutes les forces devraient tirer sur les électrons et les muons avec la même force – lorsqu’un quark de beauté se désintègre en électrons ou en muons via la force faible, il devrait le faire aussi souvent.

Au lieu de cela, mes collègues ont constaté que la désintégration en muons ne se produisait qu’environ 85 % aussi souvent que la désintégration en électrons. En supposant que ce résultat soit correct, la seule façon d’expliquer un tel effet serait qu’une nouvelle force de la nature, qui exerce une attraction différente sur les électrons et les muons, interfère avec la désintégration des quarks de beauté.

Ce résultat a suscité une grande excitation chez les physiciens des particules. Cela fait des dizaines d’années que nous cherchons des signes de quelque chose qui dépasse le modèle standard et, malgré dix ans de travaux au LHC, rien de concluant n’a été trouvé jusqu’à présent.

La découverte d’une nouvelle force de la nature serait donc un événement majeur et pourrait enfin permettre de répondre à certains des plus grands mystères de la science moderne.

Nouveaux résultats

Si les résultats sont alléchants, ils ne sont pas concluants. Toutes les mesures s’accompagnent d’un certain degré d’incertitude ou “d’erreur”. Dans le cas présent, il n’y avait qu’une chance sur 1 000 que le résultat soit dû à une fluctuation statistique aléatoire – ou “trois sigmas”, comme on dit dans le jargon de la physique des particules.

Une chance sur 1 000 peut sembler faible, mais nous effectuons un très grand nombre de mesures en physique des particules, et on peut donc s’attendre à ce qu’une petite poignée d’entre elles produisent des valeurs aberrantes par simple hasard.

Pour être vraiment sûr que l’effet est réel, il faudrait atteindre cinq sigmas, ce qui correspond à moins d’une chance sur un million que l’effet soit dû à un cruel hasard statistique.

Pour y parvenir, nous devons réduire la taille de l’erreur, et pour ce faire, nous avons besoin de plus de données. L’un des moyens d’y parvenir est de faire tourner l’expérience plus longtemps et d’enregistrer davantage de désintégrations.

L’expérience LHCb est actuellement mise à niveau pour pouvoir enregistrer les collisions à un rythme beaucoup plus élevé à l’avenir, ce qui nous permettra d’effectuer des mesures beaucoup plus précises. Mais nous pouvons également obtenir des informations utiles à partir des données déjà enregistrées en recherchant des types de désintégration similaires plus difficiles à repérer.

C’est ce que mes collègues et moi-même avons fait. À proprement parler, nous n’étudions jamais directement les désintégrations des quarks de beauté, car tous les quarks sont toujours liés à d’autres quarks pour former des particules plus grandes.

L’étude de mars s’est intéressée aux quarks de beauté qui ont été appariés avec des quarks “hauts”. Notre résultat a étudié deux désintégrations : l’une où les quarks de beauté étaient appariés avec des quarks “bas” et l’autre où ils étaient également appariés avec des quarks hauts.

Le fait que l’appariement soit différent ne devrait cependant pas avoir d’importance : la désintégration qui se produit en profondeur est la même et nous devrions donc nous attendre à voir le même effet, s’il existe réellement une nouvelle force.

Et c’est exactement ce que nous avons vu. Cette fois, la désintégration des muons ne se produit qu’à environ 70 % de la fréquence de désintégration des électrons, mais avec une erreur plus importante, ce qui signifie que le résultat s’écarte d’environ “deux sigmas” du modèle standard (environ deux chances sur cent d’être une anomalie statistique).

Cela signifie que, même si le résultat n’est pas suffisamment précis en soi pour constituer une preuve solide de l’existence d’une nouvelle force, il est très proche du résultat précédent et renforce l’idée que nous sommes peut-être sur le point de faire une percée majeure.

Bien sûr, nous devons rester prudents. Il reste encore du chemin à parcourir avant de pouvoir affirmer avec un certain degré de certitude que nous assistons réellement à l’influence d’une cinquième force de la nature.

Mes collègues travaillent actuellement d’arrache-pied pour extraire le plus d’informations possible des données existantes, tout en se préparant activement au premier passage de l’expérience LHCb modernisée.

Pendant ce temps, d’autres expériences du LHC, ainsi que l’expérience Belle 2 au Japon, se rapprochent des mêmes mesures. Il est passionnant de penser que dans les prochains mois ou années, une nouvelle fenêtre pourrait être ouverte sur les ingrédients les plus fondamentaux de notre Univers.

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Source : The Conversation – Traduit par Anguille sous roche