Le LHCb annonce la première preuve d'une désintégration observée une fois sur 10 milliards de particules beauté

Une preuve, pas encore une découverte

La collaboration a présenté le résultat lors d'un séminaire du CERN le 3 novembre. Le CERN parle de la première preuve de cette désintégration issue d'une seule expérience.

Les seules données collectées en 2024 et 2025 donnent un signal à 3,0 écarts-types, indique le CERN. L'ajout de l'échantillon enregistré entre 2011 et 2018 porte la signification à 3,2 sigma. L'INFN l'estime à environ une chance sur 1500 que le signal soit une fluctuation du bruit de fond. L'équipe a soumis l'analyse à Physical Review X et l'a déposée sous arXiv:2611.00230. Cinq sigma, c'est le seuil que les physiciens des particules exigent avant de parler de découverte. La collaboration n'en revendique pas.

La mesure teste le Modèle standard à des distances bien inférieures à ce que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) résout directement. Un écart pointerait vers des particules inconnues. Pour l'instant, les chiffres concordent avec la théorie. Confirmer la désintégration demande cinq sigma. La collaboration dit qu'il faut davantage de données.

Pourquoi une désintégration à une sur dix milliards mérite d'être traquée

Le Modèle standard prédit la désintégration Bd vers mu mu. Elle se produit environ une fois sur 10 000 000 000 de particules beauté.

La désintégration transforme une particule beauté en une paire de muons. Les muons sont des parents plus lourds de l'électron. Sur les seules nouvelles données, l'équipe mesure un rapport d'embranchement d'environ 1,26 sur 10 000 000 000, avec une incertitude statistique d'à peu près 0,5. La prédiction du Modèle standard est d'environ 1,03 sur 10 000 000 000, et la valeur combinée avec les anciennes données atteint 1,14. Plus une désintégration est rare, plus elle est sensible à des particules trop lourdes pour être produites directement dans les collisions du LHC.

La désintégration sonde un milliardième de billionième de mètre. Les physiciens ont surnommé cette échelle le zeptovers.

Les quarks beauté n'existent que pendant environ un et demi billionième de seconde. Ensuite, ils se désintègrent.

Quarante-deux ans et un détecteur amélioré

La recherche a commencé en 1984. Cette année-là, l'expérience CLEO à Cornell a fixé la première limite supérieure sur le taux de désintégration.

Une analyse conjointe du LHCb et du CMS en 2015 a observé Bs vers mu mu. Elle revendiquait aussi une première preuve de Bd vers mu mu. Les mises à jour ultérieures, sur les données collectées jusqu'en 2018, n'ont pas confirmé cette preuve. Ce qui a changé, c'est le détecteur. L'amélioration de 2024 permet au LHCb de collecter des données à cinq fois le rythme atteint entre 2010 et 2018. Une meilleure identification des particules et l'apprentissage automatique ont permis à l'équipe d'extraire le signal du bruit de fond, selon le CERN. Le Royaume-Uni a fourni la plus grande contribution nationale au détecteur amélioré, indique UKRI. Ses composants ont été conçus et construits sur plus d'une décennie.

Le Vertex Locator est un détecteur à pixels de silicium assemblé à l'université de Liverpool. Il se trouve à cinq millimètres des faisceaux du LHC.

Une équipe internationale de 19 personnes a mené l'analyse. Le LHCb enregistre des centaines de millions de collisions de protons par seconde, un flux de données de 4 téraoctets par seconde. Extraire les muons du bruit de fond écrasant exige une précision extrême, a déclaré Marco Santimaria, qui a codirigé l'équipe.

La désintégration sœur gagne aussi en précision

La même analyse a mesuré Bs vers mu mu. C'est la mesure la plus précise à ce jour.

L'équipe trouve un rapport d'embranchement de 3,31 par milliard, contre une prédiction du Modèle standard de 3,66 par milliard. Bs vers mu mu se produit environ trois fois par milliard de désintégrations de particules beauté. Bd vers mu mu est donc à peu près trente fois plus rare. Les chercheurs ont aussi mesuré la durée de vie effective du Bs dans cette désintégration à 1,42 picoseconde, avec une incertitude statistique de 0,18. Combinée aux données antérieures du LHCb, la valeur de durée de vie est de 1,60 picoseconde.

La suite

Le LHC à haute luminosité doit démarrer en 2030. Les 28 pays impliqués ont accepté une amélioration du détecteur de 150 000 000 de livres qui multiplierait par dix la fréquence de ces désintégrations, rapporte la BBC. L'an dernier, UK Research and Innovation (UKRI) a annoncé le retrait de sa part du financement de cette amélioration. Tim Gershon, qui dirige la collaboration internationale LHCb, a déclaré à BBC News que la pleine participation du Royaume-Uni à cette recherche serait remise en question.

« Le Royaume-Uni risque de ne pas être impliqué et de ne pas faire des découvertes vraiment majeures », a déclaré Gershon. Il s'exprimait auprès de BBC News.

Chris Parkes, de l'université de Manchester, a dirigé la collaboration. Il l'a conduite pendant la construction de l'amélioration. Il dit que l'équipe prépare une expérience pour exploiter le LHC à haute luminosité.