Le LHCb observe la désintégration du méson B0 en deux muons à 3,2 sigma

Cela suffit pour parler d'indices, pas pour une découverte.

Selon la collaboration LHCb, c'est la première fois qu'une seule expérience produit des indices de cette désintégration. Pour les théoriciens, une prédiction poursuivie depuis quarante ans dispose désormais d'une mesure. Un canal longtemps considéré comme un canal de référence dans la recherche de nouvelle physique devient mesurable. Un écart futur entre la mesure et la prédiction pointerait vers des particules au-delà du modèle standard.

Des indices, pas une découverte

Sci.News a rapporté le 3 novembre que les nouvelles données seules donnent une signification de 3,0 écarts types. Combinées aux données antérieures du LHCb, elles atteignent 3,2. Les deux chiffres restent sous le seuil de cinq sigma que la physique des particules exige avant de parler de découverte, comme l'ont noté l'université de Liverpool et UKRI. L'INFN le formule plus simplement : environ une chance sur 1 500 que des fluctuations du bruit de fond aient produit le signal.

L'analyse a été soumise à Physical Review X. Le laboratoire Cavendish de Cambridge a dirigé l'équipe d'analyse. Il précise que les résultats n'ont pas encore été évalués par les pairs.

Pourquoi une désintégration rare mérite d'être traquée

Les muons sont les cousins plus lourds de l'électron.

La rareté est tout l'intérêt. Selon l'université de Manchester, plus une désintégration est rare, plus elle peut être sensible à l'influence de nouvelles particules. De telles particules pourraient modifier sa fréquence. Les quarks beaux sont produits en très grand nombre au LHC mais ne vivent qu'environ un billion et demi de seconde. Les physiciens mesurent donc la façon dont ils se désintègrent, pas les quarks eux-mêmes.

La traque est ancienne. L'expérience CLEO à Cornell a établi la première limite supérieure sur le taux de cette désintégration en 1984, selon Sci.News.

Le LHC résout la structure jusqu'à environ cent zeptomètres, indique Cambridge. Les nouvelles particules, si elles existent, pourraient se situer à l'échelle du zeptomètre, un billionième de milliardième de mètre. Le LHCb ne peut pas voir directement si loin. Il cherche l'interférence que ces particules laisseraient dans les désintégrations rares.

Comment la mesure a été réalisée

Le détecteur LHCb amélioré enregistre les collisions jusqu'à cinq fois plus vite qu'auparavant. L'échantillon plus important a rendu l'analyse possible.

L'équipe a combiné les données de 2024 et 2025 avec les campagnes antérieures de 2011 à 2018, indique UKRI. Elle a utilisé une identification des particules améliorée et des techniques d'apprentissage automatique. Celles-ci séparent la désintégration du bruit de fond bien plus important des collisions ordinaires. Le LHCb enregistre des centaines de millions de collisions de protons par seconde, un flux de données de 4 téraoctets par seconde, selon l'INFN.

Le Vertex Locator, un détecteur à pixels de silicium assemblé à l'université de Liverpool, se trouve à cinq millimètres des faisceaux du LHC et forme la première couche du système de trajectographie. Il permet aux physiciens de localiser l'endroit où se désintègrent les particules de courte durée de vie. Environ 20 physiciens du Royaume-Uni, d'Allemagne, d'Italie, d'Espagne et des Pays-Bas ont travaillé sur l'analyse, indique Cambridge.

Les chiffres face au modèle standard

Les nouvelles données donnent une fraction de branchement d'environ 1,26 sur 10 milliards, avec une incertitude statistique d'environ 0,5 sur 10 milliards. La prédiction du modèle standard est d'environ 1,03 sur 10 milliards. Combinée aux données plus anciennes, la valeur mesurée est de 1,14 sur 10 milliards.

L'équipe a aussi remesuré un processus frère, la désintégration du méson B0s en deux muons, que le LHCb a observée pour la première fois en 2015. Elle a trouvé une fraction de branchement de 3,31 sur un milliard contre une prédiction de 3,66 sur un milliard. L'équipe la qualifie de détermination la plus précise à ce jour. La durée de vie effective du B0s dans cette désintégration ressort à 1,42 picoseconde avec une incertitude statistique de 0,18. Combinée aux données antérieures, elle est de 1,60 picoseconde.

Tout cela concorde avec le modèle standard, compte tenu des incertitudes.

Ce que davantage de données permettrait de trancher

Plus de collisions est la prochaine étape évidente. L'INFN indique que la prochaine amélioration du LHCb multipliera par dix le rythme de collecte de données au cours de la prochaine décennie.

Le professeur Chris Parkes, de l'université de Manchester, a dirigé la collaboration pendant la construction de l'amélioration. Il a déclaré que l'équipe prévoit une expérience pour exploiter le LHC à haute luminosité. Il a aussi indiqué que le Royaume-Uni a fourni la plus grande contribution nationale au détecteur amélioré. C'est un projet de quinze ans mené par une collaboration de 1 900 membres.

Le Dr Harry Cliff, du laboratoire Cavendish de Cambridge, a dirigé l'analyse. « Quand nous avons vu le résultat pour la première fois, c'était un moment vraiment grisant », a-t-il dit, selon Sci.News. « Voir quelque chose que les gens cherchent depuis avant ma naissance, c'est un vrai privilège. »

Marco Santimaria, de l'INFN, a codirigé l'équipe. « Une précision extrême est nécessaire pour extraire les muons du bruit de fond écrasant », a-t-il déclaré.

Savoir si le taux reste où il est, ou dérive vers quelque chose que le modèle standard ne peut expliquer, est désormais une question de statistique. La réponse n'est pas encore là.