CERN, Tunnel LHC
CERN (Genève), Tunnel LHC (Large Hadron Collider).  Cette image montre le LHC P8, près du LHCb.

Lorsque l’accélérateur géant du CERN, le Grand Collisionneur de Hadrons ou LHC, a démarré il y a dix ans, les espoirs étaient grands de découvrir bientôt de nouvelles particules qui pourraient nous aider à percer les plus grands mystères de la physique.

Matière noire, trous noirs microscopiques et dimensions cachées n’étaient que quelques-unes des possibilités. Mais à part la découverte spectaculaire du boson de Higgs, le projet n’a pas réussi à fournir des indices sur ce qui pourrait se trouver au-delà du modèle standard de la physique des particules, qui reste aujourd’hui notre meilleure théorie du microcosme, malgré ses défaillances.

C’est pourquoi le nouvel article de la grande collaboration autour du LHCb, l’une des quatre expériences géantes du LHC, devrait faire battre le cœur des physiciens et des amateurs de la physique un peu plus vite. Après avoir analysé des trillions de collisions produites au cours de la dernière décennie, nous pourrions être en train de voir la preuve de quelque chose de tout à fait nouveau – potentiellement la particule vectrice d’une toute nouvelle force de la nature.

Mais l’excitation est tempérée par une extrême prudence. Le modèle standard a résisté à tous les tests expérimentaux qu’on lui a fait subir depuis qu’il a été élaboré dans les années 1970. Il faut donc des preuves extraordinaires pour affirmer que nous voyons enfin quelque chose qu’il ne peut expliquer.

Qu’est-ce que le LHCb ?

Le LHCb est l’abréviation du terme anglais Large Hadron Collider beauty experiment. Cela veut dire en français : Expérience du LHC sur le quark beauté.

Il s’agit d’une expérience de physique des particules utilisant les collisions de protons produites au collisionneur LHC du CERN qui se trouve à Genève (Suisse) et ses alentours, partiellement en France.

Le détecteur de LHCb, qui pèse 5 600 tonnes, est constitué d’un spectromètre à petit angle et de détecteurs planaires. Long de 21 mètres, haut de 10 mètres et large de 13 mètres, il est installé à 100 mètres sous terre, à proximité de la commune de Ferney-Voltaire (France). La collaboration LHCb regroupe environ 700 scientifiques venant de 66 instituts et universités (octobre 2013).

Selon  CERN, le LHCb nous permettra de comprendre pourquoi nous vivons dans un Univers qui semble être constitué de matière, sans aucune présence d’antimatière.

Les quarks b (quarks beauty) au coeur des expériences LHCb

Le LHC produit une grande variété de quarks, qui se désintègrent rapidement en d’autres particules. Ce détecteur est à la recherche d’une nouvelle physique par des méthodes indirectes.

L’expérience LHCb explore les légères différences qui existent entre matière et antimatière grâce à l’étude d’un type de particule appelé « quark beauté » ou « quark b ».

Au lieu d’utiliser un détecteur fermé au niveau du point de collision, tel que ceux d’ATLAS et de CMS, l’expérience LHCb a recours à plusieurs sous-détecteurs conçus pour observer principalement les particules émises « à petits angles », vers l’avant, dans le sens du faisceau. Le premier sous-détecteur est placé à proximité du point de collision ; les autres se suivent sur une longueur de 20 mètres.

Pour intercepter les quarks b, la collaboration LHCb a mis au point des trajectographes mobiles perfectionnés et les a installés au plus près de la trajectoire des faisceaux dans le LHC.

Pour les lecteurs intéressés en physique, voici encore quelques précisions concernant les particules. L’analyse des données porte largement sur des particules au noms compliqués : sur les mésons beaux (contenant un quark b ou un anti-quark b) et charmés (contenant un quark c ou un anti-quark c), mais aussi sur les baryons beaux (contenant trois quarks dont un quark ou antiquark b), les bosons (Higgs ou Z) ou la recherche de particules exotiques.

Anomalie étrange, découverte par les physiciens du LHCb

Le modèle standard de la physique : la nature à la plus petite des échelles, leptons et quarks au rendez-vous

Le modèle standard décrit la nature à la plus petite des échelles, comprenant des particules élémentaires connues sous le nom de leptons (comme les électrons) et de quarks (qui peuvent s’assembler pour former des particules plus lourdes comme les protons et les neutrons), ainsi que les forces grâce auxquelles ces particules interagissent.

Il existe de nombreux types de quarks, dont certains sont instables et peuvent se désintégrer en d’autres particules. En 2014, les physiciens du LHCb ont repéré des quarks « bottom » se désintégrant de manière inattendue. Notre nouveau résultat est lié à ce qui était alors une anomalie expérimentale.

Le LHCb à mis à jour un comportement étrange des quarks bottom 

CERN, Expérience LHCb
CERN, Expérience LHCb

Plus précisément, les quarks bottom semblaient se désintégrer en « muons » (un type de lepton) moins souvent qu’ils ne se désintégraient en électrons. C’est étrange, car le muon est en fait une copie carbone de l’électron, identique en tous points sauf qu’il est environ 200 fois plus lourd.

On s’attendrait à ce que les quarks bottom se désintègrent en muons aussi souvent qu’en électrons. La seule façon dont ces désintégrations pourraient se produire à des taux différents serait que des particules jamais vues auparavant soient impliquées dans la désintégration et fassent pencher la balance en défaveur des muons.

Si le résultat de 2014 était intrigant, il n’était pas assez précis pour tirer une conclusion ferme. Depuis lors, un certain nombre d’autres anomalies sont apparues dans des processus connexes. Elles ont toutes été individuellement trop subtiles pour que les chercheurs soient sûrs qu’il s’agissait de véritables signes d’une nouvelle physique, mais de manière alléchante, elles semblaient toutes pointer dans une direction similaire.

La grande question était de savoir si ces anomalies allaient se renforcer au fur et à mesure de l’analyse des données ou se fondre dans le néant.

En 2019, LHCb a effectué la même mesure de la désintégration du quark bottom, mais avec des données supplémentaires prises en 2015 et 2016. Mais les choses n’étaient pas beaucoup plus claires qu’elles ne l’étaient cinq ans plus tôt.

Nouveaux résultats et sur le chemin vers les 5 sigmas – la preuve scientifique

Analyses en aveugle pour confirmer les résultats reçus

Le résultat d’aujourd’hui double l’ensemble de données existant, en ajoutant les mesures de 2017 et 2018. Pour éviter d’introduire accidentellement des biais, les données ont été analysées « en aveugle » : les scientifiques ne pouvaient pas voir le résultat avant que toutes les procédures utilisées dans la mesure aient été testées et examinées.

Mitesh Patel, physicien des particules à l’Imperial College London et l’un des responsables de l’expérience, a décrit l’excitation qu’il a ressentie lorsque le moment est venu de regarder le résultat : « Je tremblais. Je me suis rendu compte que c’était probablement la chose la plus excitante que j’aie faite en 20 ans de physique des particules. »

Lorsque le résultat est apparu à l’écran, l’anomalie était toujours là – environ 85 désintégrations en muons pour 100 désintégrations en électrons, mais avec une incertitude plus faible qu’auparavant.

Le hasard écarté et vers une preuve scientifique – mais le chemin est encore long !

Ce qui va enthousiasmer de nombreux physiciens, c’est que l’incertitude du résultat est maintenant supérieure à « trois sigmas » – la façon dont les scientifiques disent qu’il n’y a qu’une chance sur mille que le résultat soit un hasard des données. Par convention, les physiciens des particules appellent « preuve »  tout ce qui dépasse trois sigmas. Cependant, nous sommes encore loin d’une « découverte confirmée » ou d’une « observation confirmée » – il faudrait pour cela cinq sigmas.

Les théoriciens ont montré qu’il est possible d’expliquer cette anomalie (et d’autres) en reconnaissant l’existence de toutes nouvelles particules qui influencent la façon dont les quarks se désintègrent. L’une des possibilités est une particule fondamentale appelée « Z prime » (ou « Z’ ») – en fait, un porteur d’une nouvelle force de la nature. Cette force serait extrêmement faible, ce qui explique pourquoi nous n’en avons vu aucun signe jusqu’à présent, et interagirait différemment avec les électrons qu’avec les muons.

Une autre option est l’hypothétique « leptoquark » – une particule qui a la capacité unique de se désintégrer en quarks et en leptons simultanément et qui pourrait faire partie d’un plus grand puzzle expliquant pourquoi nous voyons les particules que nous voyons dans la nature.

CERN, Détecteur de CMS
CERN, Détecteur de CMS (Compact Muon Solenoid, en français solénoïde compact à muons). Le détecteur CMS repose sur un aimant solénoïde géant pour incurver les trajectoires des particules produites lors des collisions dans le LHC.

Interprétation des résultats

Alors, avons-nous enfin trouvé la preuve d’une nouvelle physique ? Peut-être bien que oui, peut-être bien que non.

Comme nous effectuons de nombreuses mesures au LHC, on peut s’attendre, statistiquement, à ce qu’au moins certaines d’entre elles s’éloignent à ce point du modèle standard. Et nous ne pouvons jamais exclure totalement la possibilité d’un biais dans notre expérience, que nous n’aurions pas correctement pris en compte, même si ce nouveau résultat a été vérifié de manière extraordinairement approfondie.

En fin de compte, l’image ne deviendra plus claire qu’avec davantage de données. LHCb fait actuellement l’objet d’une mise à niveau majeure visant à augmenter considérablement le taux d’enregistrement des collisions.

Même si l’anomalie persiste, elle ne sera probablement pleinement acceptée par la communauté que lorsqu’une expérience indépendante aura confirmé les résultats. Une possibilité excitante est que nous puissions détecter les nouvelles particules responsables de l’effet créé directement dans les collisions au LHC. 

Pourrons-nous enfin résoudre beaucoup de mystères de l’existence ?

Que cela peut-il donc signifier pour l’avenir de la physique fondamentale ?

Si ce que nous voyons est vraiment le signe avant-coureur de nouvelles particules fondamentales, ce sera enfin la percée que les physiciens attendent depuis des décennies.

Nous verrons enfin une partie de ce qui se trouve au-delà du modèle standardce qui pourrait finalement nous permettre de résoudre un certain nombre de mystères dont nous connaissons l’existence, et notamment la nature de la matière noire, ou celle du boson de Higgs. Elle pourrait même aider les théoriciens à unifier les particules et les forces fondamentales. Ou, ce qui est peut-être le plus intéressant, elle pourrait indiquer quelque chose que nous n’avons jamais envisagé.

Alors, faut-il s’enthousiasmer ?

Oui, car des résultats comme celui-ci ne sont vraiment pas fréquents et ils signifient que la chasse est ouverte pour expliquer ces observations de la désintégration déséquilibrée des quarks bottom.

Mais nous devons aussi faire preuve de prudence et d’humilité, car les affirmations extraordinaires exigent des preuves extraordinaires, comme le dit Carl Sagan. Seuls le temps et beaucoup de travail nous diront si nous sommes en train de voir une première lueur de ce qui se trouve au-delà de notre compréhension actuelle de la physique des particules.

 

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.

Article traduit de l’anglais par DeepL avec l’aide d’Elsa Couderc.

 

La version originale de cet article a été publiée en anglais.

 

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Sources : https://theconversation.com/est-on-en-train-de-mettre-a-jour-une-nouvelle-physique-au-cern-pourquoi-nous-sommes-prudemment-optimistes-157705  (Creative Commons, CC BY-ND)

Sources / Crédits images:

  • CERN, Tunnel LHC : Wikimedia Commons, by Julian Herzog, CC BY-SA 3.0
  • Expérience LHCb : CERN
  • Détecteur de CMS : CERN

 

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