Et si les chances qu'un événement se produise étaient d'environ un sur dix milliards ? C'est le cas de la désintégration d'une particule chargée positivement appelée kaon en une autre particule chargée positivement appelée pion et une paire neutrino-antineutrino. Encore, un événement si rare, qui n'a jamais été observé avec certitude, est quelque chose que les physiciens des particules veulent vraiment mettre la main sur. La raison? Le modèle standard prédit une telle probabilité d'un milliard sur dix avec une incertitude de moins de dix pour cent. Un écart par rapport à cette prédiction, révélée par une mesure précise de la décroissance, pourrait donc être un indicateur clair de la physique au-delà du modèle standard.

Lors d'un séminaire qui a lieu aujourd'hui au CERN, la collaboration NA62 rapporte un événement candidat de cette désintégration ultra-rare du kaon découvert à l'aide d'une nouvelle approche de « désintégration en vol ». Bien que cet événement unique ne puisse pas être utilisé pour sonder au-delà de la physique du modèle standard, cela démontre que l'approche fonctionne bien et peut être appliquée pour capturer plus d'événements dans la prochaine série de prise de données, qui démarre à la mi-avril. Le résultat a également été présenté plus tôt ce mois-ci lors de la conférence des Rencontres de Moriond à La Thuile, Italie.

Pour rechercher les désintégrations du kaon, l'équipe NA62 fabrique d'abord des faisceaux riches en kaons en tirant des protons de haute énergie depuis l'accélérateur Super Synchrotron à Protons (SPS) dans une cible en béryllium. La collision crée un faisceau de près d'un milliard de particules par seconde, dont seulement 6 % environ sont des kaons. Prochain, l'équipe envoie le faisceau à travers un détecteur Cherenkov, qui identifie positivement les kaons du rayonnement Cherenkov qu'ils produisent. Un détecteur silicium-pixel détermine ensuite la quantité de mouvement des kaons avec une résolution temporelle de 100 picosecondes. Un appareil appelé traqueur de paille, placé à l'intérieur du réservoir à vide, mesure à son tour la quantité de mouvement des particules filles chargées dans lesquelles les kaons se désintègrent, et un autre détecteur Cherenkov appelé RICH détermine le type de particules. D'autres appareils appelés calorimètres rejettent les événements de fond indésirables avec des photons et des muons.

Dans leur analyse des données recueillies au cours de l'année 2016, l'équipe NA62 a identifié un événement candidat de la désintégration d'un kaon chargé positivement en un pion chargé positivement et une paire neutrino-antineutrino qui s'échappe sans être détectée. Le résultat a permis aux chercheurs de mettre une limite supérieure sur la fréquence relative, ou "fraction ramifiée", de la décroissance de 14 à 10 milliards. Le résultat est compatible avec la prédiction du modèle standard, soit 8,4 sur 100 milliards (avec une incertitude de 1), mais plus de données sont nécessaires pour sonder au-delà des théories du modèle standard, qui prédisent les écarts par rapport à la valeur du modèle standard.

Ce n'est pas la première fois que des indices de cette dégradation sont observés. Plusieurs événements candidats ont déjà été signalés par l'expérience E949 et son prédécesseur E787 au Brookhaven National Laboratory à Long Island, New York. Ces événements candidats ont été utilisés pour déduire une fraction de branchement de 17,3 sur 100 milliards (avec une incertitude d'environ 11), ce qui est cohérent, dans les grandes erreurs, avec la prédiction du modèle standard.

Mais il y a une différence entre les expériences de Brookhaven et NA62 :alors que la première observait la désintégration du kaon avec les particules au repos dans une cible, NA62 les observe pendant que les particules sont en vol à l'intérieur de la cuve à vide. Cette nouvelle approche en vol présente des avantages car elle offre beaucoup plus de place pour la détection et l'immunité aux événements de fond.

L'équipe NA62 s'attend à identifier plus d'événements de la désintégration rare du kaon dans l'analyse en cours d'un ensemble de données vingt fois plus grand pris en 2017, et il recommencera à prendre des données à la mi-avril pour un nombre record de 218 jours. Si tout se passe comme prévu, la collaboration devrait être en mesure de mesurer la fraction de ramification de la désintégration avec une incertitude suffisamment faible pour effectuer un test précis du modèle standard.