Source: The Conversation – in French – By William Barter, UKRI Future Leaders Fellow, School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh
Des résultats obtenus au Large Hadron Collider, ou LHC, le grand collisionneur de hadrons du Cern, pourraient remettre en cause le modèle standard, pilier de la physique des particules depuis un demi-siècle.
Sommes-nous sur le point de détecter des signes d’une physique encore inconnue ? C’est ce que semblent suggérer les résultats récents des recherches que nous menons au grand collisionneur de hadrons du Cern (Large Hadron Collider ou LHC).
Si ces indices se confirmaient, ils remettraient en cause la théorie – appelée modèle standard (MS) – qui domine la physique des particules depuis cinquante ans. Les résultats indiquent, en effet, que le comportement de certaines particules subatomiques dans le LHC n’est pas conforme aux prédictions de ce modèle.
Les particules fondamentales sont les briques élémentaires de la matière : des particules subatomiques indivisibles (qui ne peuvent pas être décomposées en unités plus petites). Quatre forces fondamentales – la gravitation, l’électromagnétisme, l’interaction faible et l’interaction forte – régissent leurs interactions.
Le LHC est un immense accélérateur de particules installé dans un tunnel circulaire de 27 kilomètres sous la frontière franco-suisse. Son objectif principal est justement de mettre à l’épreuve le modèle standard.
Cette théorie constitue notre meilleure compréhension des particules et des forces fondamentales, mais elle n’est pas complète. Elle ne rend pas compte de la gravité ni de la matière noire – cette forme de matière invisible, encore jamais mesurée directement, qui représenterait environ 25 % de l’univers.
Au grand collisionneur de hadrons, des faisceaux de protons circulant en sens opposé sont mis en collision afin de déceler des indices d’une physique encore inconnue. Les nouveaux résultats proviennent de LHCb, une expérience du LHC consacrée à l’analyse de ces collisions.
Ce résultat repose sur l’étude de la désintégration – une forme de transformation – de particules subatomiques appelées mésons B. Nous avons analysé la manière dont ces mésons B se désintègrent en d’autres particules, et constaté que ce processus spécifique n’est pas conforme aux prédictions du modèle standard.
Une théorie élégante
Le modèle standard repose sur deux des avancées les plus révolutionnaires de la physique du XXᵉ siècle : la mécanique quantique et la relativité restreinte d’Einstein.
Les physiciens peuvent comparer les mesures réalisées dans des installations comme le LHC aux prédictions issues du modèle standard afin de tester rigoureusement cette théorie. Malgré son caractère incomplet, plus de cinquante ans de tests toujours plus exigeants n’ont encore révélé aucune faille dans ce cadre théorique. Du moins, jusqu’à aujourd’hui.
Notre mesure, acceptée pour publication dans la revue Physical Review Letters, met en évidence un écart de quatre écarts-types par rapport aux prédictions du modèle standard.
Concrètement, cela signifie que, après prise en compte des incertitudes liées aux résultats expérimentaux et aux prédictions théoriques, la probabilité qu’une fluctuation aléatoire des données produise un écart aussi important – si le modèle standard est correct – est d’environ 1 sur 16 000.
Même si ce résultat reste en deçà du standard ultime de la physique – ce que l’on appelle les cinq sigma, soit cinq écarts-types (environ une chance sur 1,7 million) – les indices commencent à s’accumuler. Cette hypothèse est renforcée par des résultats issus d’une autre expérience, CMS, publiés plus tôt en 2025.
Bien que les résultats de CMS soient moins précis que ceux de LHCb, ils sont en bon accord avec ces derniers, ce qui consolide l’ensemble. Nos nouveaux résultats proviennent de l’étude d’un type particulier de processus, appelé désintégration électrofaible « pingouin ».
Des événements rares
Le terme « pingouin » désigne un type particulier de désintégration (transformation) de particules de très courte durée de vie. Dans ce cas, nous étudions la manière dont le méson B se désintègre en quatre autres particules subatomiques – un kaon, un pion et deux muons.
Avec un peu d’imagination, la configuration des particules impliquées peut évoquer la silhouette d’un pingouin. Surtout, l’étude de cette désintégration permet d’observer comment un type de particule fondamentale, le quark bottom, peut se transformer en un autre, le quark étrange.
Cette désintégration « pingouin » est extrêmement rare dans le cadre du modèle standard : sur un million de mésons B, un seul se désintègre de cette manière. Nous avons analysé avec précision les angles et les énergies auxquels ces particules sont produites lors de la désintégration, et déterminé avec exactitude la fréquence du processus. Nos mesures de ces paramètres ne correspondent pas aux prédictions du modèle standard.
L’étude fine de ce type de désintégration constitue l’un des objectifs majeurs de l’expérience LHCb depuis sa création en 1994. Les processus « pingouin » sont particulièrement sensibles aux effets de nouvelles particules potentiellement très massives, qui ne peuvent pas être produites directement au LHC. De telles particules peuvent néanmoins exercer une influence mesurable sur ces désintégrations, en plus de la contribution attendue du modèle standard. Ce type d’observation indirecte n’est pas inédit. Par exemple, une forme de radioactivité a été découverte près de quatre-vingts ans avant que les particules fondamentales qui en sont responsables – les bosons W – ne soient observées directement.
Perspectives
L’étude de ces processus rares nous permet d’explorer des aspects de la nature qui ne deviendront peut-être accessibles autrement qu’avec des collisionneurs de particules dont on ne disposera au mieux que dans les années 2070. Un large éventail de nouvelles théories pourrait expliquer nos résultats. Beaucoup d’entre elles font intervenir de nouvelles particules appelées « leptoquarks », qui unifient deux types de constituants de la matière : les leptons et les quarks.
D’autres théories envisagent des particules plus massives, analogues à celles déjà décrites par le modèle standard. Ces nouveaux résultats permettent de contraindre ces modèles et d’orienter les recherches à venir.
Malgré notre enthousiasme, des questions théoriques ouvertes subsistent et nous empêchent d’affirmer avec certitude que nous avons observé une physique au-delà du modèle standard. La principale difficulté tient aux « pingouins charmants » (charming penguins), un ensemble de processus prévus par le modèle standard dont les contributions sont extrêmement difficiles à estimer. Les évaluations récentes suggèrent que leurs effets ne sont pas suffisamment importants pour rendre compte de nos données.
De plus, la combinaison d’un modèle théorique et des données expérimentales issues de LHCb indique que ces « pingouins charmants » – et donc le modèle standard – peinent à expliquer les résultats anormaux observés.
De nouvelles données, déjà collectées, devraient nous permettre de trancher dans les prochaines années : dans nos travaux actuels, nous avons analysé environ 650 milliards de désintégrations de mésons B enregistrées entre 2011 et 2018 pour identifier ces processus « pingouin ». Depuis, l’expérience LHCb a enregistré trois fois plus de mésons B.
D’autres avancées sont prévues dans les années 2030 afin de tirer parti des futures améliorations du LHC et de constituer un jeu de données 15 fois plus important. Cette étape décisive pourrait permettre d’apporter des preuves définitives – et, peut-être, d’ouvrir la voie à une nouvelle compréhension des lois fondamentales de l’Univers.
William Barter travaille pour l’Université d’Édimbourg. Il reçoit des financements de UKRI. Il est membre de la collaboration LHCb au CERN.
Mark Smith ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.
– ref. Une anomalie au LHC laisse entrevoir une percée majeure en physique des particules – https://theconversation.com/une-anomalie-au-lhc-laisse-entrevoir-une-percee-majeure-en-physique-des-particules-281164