Le modèle standard de la physique des particules décrit les propriétés et les interactions des constituants de la matière. Le développement de cette théorie a commencé au début des années 1960, et en 2012, la dernière pièce du puzzle a été résolue par la découverte du boson de Higgs au Large Hadron Collider (LHC) au CERN en Suisse. Les expériences ont confirmé à maintes reprises les prédictions très précises du modèle standard.

Encore, les chercheurs ont des raisons de croire que la physique au-delà du modèle standard existe et devrait être trouvée. Par exemple, le modèle standard n'explique pas pourquoi la matière domine sur l'antimatière dans l'univers. Il ne fournit pas non plus d'indices sur la nature de la matière noire - la substance invisible qui est cinq fois plus répandue que la matière ordinaire que nous observons.

Dans ce Q&R, la physicienne des particules Vera Lüth discute des résultats scientifiques qui font potentiellement allusion à la physique au-delà du modèle standard. Le professeur émérite de physique expérimentale des particules au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l'énergie est co-auteur d'un article de synthèse publié aujourd'hui dans La nature qui résume les résultats de trois expérimentations :BABAR au SLAC, Belle au Japon et LHCb au CERN.

Quels sont les indices de nouvelle physique que vous décrivez dans votre article ?

Les indices proviennent d'études d'une particule élémentaire, connu sous le nom de méson B – une particule instable produite lors de la collision de puissants faisceaux de particules. Plus précisément, ces études ont examiné les désintégrations du méson B qui impliquent des leptons – des particules élémentaires chargées électriquement et leurs neutrinos associés. Il existe trois leptons chargés :l'électron, un composant critique des atomes découvert en 1897; le muon, observé pour la première fois dans les rayons cosmiques en 1937; et le tau beaucoup plus lourd, découvert à l'anneau de stockage électron-positon (e+e-) SPEAR au SLAC en 1975 par Martin Perl.

En raison de leurs masses très différentes, les trois leptons ont également des durées de vie très différentes. L'électron est stable, alors que le muon et le tau se désintègrent en quelques microsecondes et une fraction de picoseconde, respectivement. Une hypothèse fondamentale du modèle standard est que les interactions des trois leptons chargés sont les mêmes si leurs masses et durées de vie différentes sont prises en compte.

Depuis de nombreuses années, différentes expériences ont testé cette hypothèse - appelée "universalité leptonique" - et à ce jour, aucune violation définitive de cette règle n'a été observée. Nous avons maintenant des indications que les taux de désintégration des mésons B impliquant des leptons tau sont plus importants que prévu par rapport aux taux mesurés de désintégrations impliquant des électrons ou des muons, en tenant compte des différences de masse. Cette observation violerait l'universalité des leptons, une hypothèse fondamentale du modèle standard.

Que signifie réellement une violation du modèle standard ?

Cela signifie qu'il existe des preuves de phénomènes que nous ne pouvons pas expliquer dans le contexte du modèle standard. Si un tel phénomène est fermement établi, le modèle standard doit être étendu – en introduisant de nouvelles particules fondamentales ainsi que de nouvelles interactions liées à ces particules.

Dans les années récentes, les recherches de phénomènes fondamentalement nouveaux se sont appuyées sur des mesures de haute précision pour détecter les écarts par rapport aux prédictions du modèle standard ou sur la recherche de nouvelles particules ou d'interactions avec des propriétés différentes de celles connues.

Que sont exactement les BABAR, Expériences Belle et LHCb ?

Ce sont trois expériences qui ont remis en cause l'universalité des leptons.

Belle et BABAR étaient deux expériences spécialement conçues pour étudier les mésons B avec une précision sans précédent – ​​des particules cinq fois plus lourdes que le proton et contenant un quark bas ou b. Ces études ont été réalisées dans des anneaux de stockage e+e- communément appelés usines B et fonctionnant à des énergies de faisceaux de collision juste assez élevées pour produire une paire de mésons B, et aucune autre particule. BABAR a opéré au PEP-II du SLAC de 1999 à 2008, Belle à KEKB au Japon de 1999 à 2010. Le grand avantage de ces expériences est que les mésons B sont produits par paires, chacune se désintégrant en particules plus légères – en moyenne cinq particules chargées et un nombre similaire de photons.

L'expérience LHCb continue de fonctionner au collisionneur proton-proton LHC avec des énergies qui dépassent celles des usines B de plus d'un facteur 1, 000. À cette énergie plus élevée, Les mésons B sont produits à un rythme beaucoup plus important que dans les usines B. Cependant, à chaque croisement des poutres, des centaines d'autres particules sont produites en plus des mésons B. Cette caractéristique complique énormément l'identification des désintégrations des mésons B.

Pour étudier l'universalité des leptons, les trois expériences se concentrent sur les désintégrations de B impliquant un lepton chargé et un neutrino associé. Un neutrino ne laisse pas de trace dans le détecteur, mais sa présence est détectée comme manque d'énergie et de quantité de mouvement dans une désintégration B individuelle.

Quelles preuves avez-vous jusqu'à présent d'une violation potentielle de l'universalité des leptons ?

Les trois expériences ont identifié des désintégrations spécifiques du méson B et ont comparé les taux de désintégration impliquant un électron ou un muon à ceux impliquant le lepton tau de masse plus élevée. Les trois expériences observent des taux de désintégration plus élevés que prévu pour les désintégrations avec un tau. La valeur moyenne des résultats rapportés, compte tenu des incertitudes statistiques et systématiques, dépasse les attentes du modèle standard de quatre écarts types.

Cette amélioration est intrigante, mais pas considéré comme suffisant pour établir sans ambiguïté une violation de l'universalité des leptons. Pour revendiquer une découverte, les physiciens des particules exigent généralement une signification d'au moins cinq écarts types. Cependant, le fait que cette amélioration a été détectée par trois expériences, évoluant dans des environnements très différents, mérite attention. Néanmoins, plus de données seront nécessaires, et sont attendus dans un avenir pas trop lointain.

Quel a été votre rôle dans cette recherche ?

En tant que coordinateur technique de la collaboration BABAR lors de la construction du détecteur, J'étais la liaison entre les physiciens et les équipes d'ingénierie, soutenu par l'équipe de gestion de projet BABAR au SLAC. Avec plus de 500 membres BABAR de 11 pays, c'était une tâche difficile, mais grâce à l'expertise et au dévouement combinés de la collaboration, le détecteur a été achevé et prêt à prendre des données en quatre ans.

Une fois les données disponibles, J'ai rejoint le groupe de recherche C du SLAC et pris la relève de Jonathan Dorfan. En tant qu'animateur du groupe de travail de physique sur les désintégrations B impliquant des leptons, J'ai coordonné diverses analyses par des scientifiques de différents groupes externes, parmi eux des post-doctorants et étudiants diplômés du SLAC, et aidé à développer les outils d'analyse nécessaires aux mesures de précision.

Il y a presque 10 ans, nous avons commencé à mettre à jour une analyse antérieure réalisée sous la direction de Jeff Richman de l'Université de Californie, Santa Barbara sur des désintégrations B impliquant des leptons tau et l'a étendue à l'ensemble de données BABAR complet. Cela a entraîné un taux de décroissance étonnamment élevé. L'analyse était le sujet de la thèse de doctorat de mon dernier étudiant diplômé, Manuel Franco Séville, qui, au cours des quatre dernières années, a apporté un certain nombre de contributions absolument essentielles qui ont considérablement amélioré la précision de cette mesure, et a ainsi renforcé son importance.

Qu'est-ce qui vous passionne pour la physique des particules ?

Au cours des 50 dernières années que j'ai travaillé en physique des particules, J'ai été témoin d'énormes progrès dans la théorie et les expériences menant à notre compréhension actuelle des constituants de la matière et de leurs interactions au niveau le plus fondamental. Mais il reste encore beaucoup de questions sans réponse, de très basiques comme "Pourquoi les particules ont-elles certaines masses et pas d'autres ?" aux questions sur la grande échelle des choses, comme "Quelle est l'origine de l'univers, et y en a-t-il plus d'un ?"

L'universalité de Lepton est l'une des hypothèses fondamentales du modèle standard. S'il a été violé, de nouveaux processus physiques inattendus doivent exister. Ce serait une percée majeure - encore plus surprenante que la découverte du boson de Higgs, qui devait exister il y a plusieurs décennies.

Quels résultats attendez-vous dans un avenir proche ?

Il se passe effectivement beaucoup de choses sur le terrain. Les chercheurs de LHCb collectent plus de données et tenteront de savoir si l'universalité des leptons est effectivement violée. Je suppose que nous devrions connaître la réponse d'ici la fin de cette année. Une confirmation sera un grand événement et déclenchera sans aucun doute d'intenses recherches expérimentales et théoriques.

À l'heure actuelle, nous ne comprenons pas l'origine du rehaussement observé. Nous avons d'abord supposé qu'il pouvait être lié à un partenaire chargé du boson de Higgs. Bien que les caractéristiques observées ne correspondent pas aux attentes, une extension du modèle de Higgs pourrait le faire. Une autre explication possible qui ne peut être ni confirmée ni exclue est la présence de ce qu'on appelle des lepto-quarks. Ces questions ouvertes resteront un sujet très passionnant qui devra être abordé par des expérimentations et des travaux théoriques.

Récemment, Les scientifiques de LHCb ont rapporté un résultat intéressant indiquant que certaines désintégrations du méson B incluent plus souvent une paire d'électrons qu'une paire de muons. Cependant, la signification de cette nouvelle découverte n'est que d'environ 2,6 écarts-types, il est donc trop tôt pour tirer des conclusions. BABAR et Belle n'ont pas confirmé cette observation.

Dans l'usine B de nouvelle génération, Super-KEKB au Japon, la nouvelle expérience Belle II devrait commencer son programme de recherche de 10 ans en 2018. Les nouveaux ensembles de données très volumineux attendus ouvriront de nombreuses opportunités de recherche pour ces indications et d'autres indications de la physique au-delà du modèle standard.