Dans le monde des particules élémentaires, des traces d'une potentielle « nouvelle physique » peuvent être dissimulées dans des processus liés à la désintégration des baryons. L'analyse des données de l'expérience LHCb au Grand collisionneur de hadrons réalisée par des scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie a, cependant, ont montré que l'une des désintégrations les plus rares de baryons contenant le quark charmé à ce jour ne montre aucune anomalie.

Baryons, qui sont des particules composites constituées de trois quarks, peuvent se désintégrer en particules plus légères. Ces types de désintégrations se produisent généralement indirectement via l'état intermédiaire (résonant). Parfois, cependant, la décroissance se déroule directement en une étape (non résonante). Le modèle standard prédit que certaines désintégrations de baryons non résonants sont extrêmement rares, selon le type de baryon, ils devraient se produire une fois par milliard de cas, voire moins fréquemment.

"Si la fréquence de certaines désintégrations non résonantes était différente de celle prédite par le modèle standard, cela pourrait indiquer l'existence de processus et de particules encore inconnus, et indiquent l'existence d'une « nouvelle physique ». C'est pourquoi les désintégrations non résonantes ont attiré notre attention pendant si longtemps, " explique le professeur Mariusz Witek de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie.

Le professeur Witek a dirigé un groupe de cinq physiciens de Cracovie à la recherche de désintégrations non résonantes du baryon charmé Lambda c dans les données recueillies en 2011 et 2012 par l'expérience internationale LHCb au Large Hadron Collider à Genève.

Dans l'étude, les chercheurs se sont concentrés sur les baryons lambda c, c'est-à-dire des particules de duvet (d), les quarks up (u) et charm (c). Le quark top (t) le plus massif se désintègre si rapidement qu'il ne se combine pas du tout avec d'autres quarks, donc ça ne crée pas de baryons, dont les désintégrations ont pu être observées. Les désintégrations des particules contenant le deuxième plus grand quark en termes de masse, le quark beauté (b), a déjà été analysé plus tôt, parce que leurs désintégrations étaient légèrement plus faciles à détecter. Le groupe de Cracovie a été impliqué ici et a contribué à l'observation d'écarts intéressants par rapport aux prédictions théoriques. Dans cette situation, seules les désintégrations des baryons charmés restaient largement inexplorées.

« Le modèle standard prédit que les désintégrations non résonantes des baryons lambda c en trois particules - un proton et deux muons - devraient se produire plus ou moins une fois sur des centaines de milliards de désintégrations. C'est un phénomène beaucoup plus rare que les désintégrations de baryons contenant le quark de beauté. , que nous avons analysé plus tôt, " explique le Dr Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN). " Les mesures et les analyses sont désormais beaucoup plus difficiles. Nous devons nous pencher sur un groupe beaucoup plus large d'événements enregistrés dans l'expérience LHCb. Cependant, ça vaut la peine de le faire, parce que comme récompense, vous pouvez tomber sur une piste de processus beaucoup plus subtils. Si nous parvenons à observer des incohérences avec les prédictions, ce serait très probablement le signal d'une « nouvelle physique ».

Avec des phénomènes aussi rares, la distinction des désintégrations non résonantes des baryons lambda c du bruit de fond s'est avérée être une tâche difficile et longue. Néanmoins, les physiciens basés à Cracovie ont réussi à améliorer jusqu'à 100 fois la limite supérieure de la fréquence des désintégrations non résonantes. Il a été estimé à moins d'un sur des centaines de millions.

« La prise en compte de données supplémentaires, y compris la deuxième phase de l'accélérateur LHC, devrait bientôt améliorer notre résultat d'un facteur 10. Nous serions donc très proches des prédictions du Modèle Standard. Si une sorte de « nouvelle physique » se manifeste dans les désintégrations des baryons lambda c, ce sera sa dernière chance de se révéler. Maintenant, il n'y en a pas la moindre trace, " résume le Pr Witek.

Lors des analyses, les chercheurs basés à Cracovie ont également observé des désintégrations résonantes, dans lequel le baryon Lambda c s'est désintégré en un proton et un méson oméga. L'absence de signaux indiquant une autre voie de désintégration résonnante – en un proton et un méson rho – était quelque peu surprenante. Cependant, ce résultat s'est avéré conforme aux prévisions théoriques.