Depuis quelque temps maintenant, les chercheurs ont noté plusieurs anomalies dans les désintégrations des mésons de beauté dans les données provenant de l'expérience LHCb au Large Hadron Collider. Sont-ils plus que de simples fluctuations statistiques ? La dernière analyse, prenant en compte les effets dits à longue distance dans les désintégrations des particules, augmente la probabilité que les anomalies ne soient pas une erreur dans les techniques de mesure.

Alors que les scientifiques à la recherche de traces directes d'une nouvelle physique tentent d'éliminer tous les nouveaux signaux potentiels dans les collisions de particules, révélant le vide prédit par le Modèle Standard, d'autres, qui s'intéressent à d'autres phénomènes, commencent à voir de plus en plus de signaux anormaux dans l'océan de données non résolues.

Le Modèle Standard est un ensemble d'outils théoriques développés dans les années 1970 pour décrire des phénomènes se produisant à l'échelle des noyaux atomiques et des particules élémentaires. Il fonctionne très bien, mais ne peut pas fournir de réponses à certaines questions importantes. Pourquoi les particules élémentaires ont-elles des masses particulières ? Pourquoi créent-ils des familles ? Pourquoi la matière domine-t-elle si clairement sur l'antimatière ? En quoi consiste la matière noire ? Il existe une croyance bien fondée parmi les physiciens que le modèle standard ne décrit qu'un fragment de la réalité, et doit être étendu.

« Pendant longtemps dans le LHC, il y a eu une chasse intense à tout ce qui ne peut être expliqué par la physique actuelle. Maintenant, la recherche de nouvelles particules ou phénomènes de manière directe reste vaine. Cependant, plusieurs anomalies ont été trouvées dans des données contenant des désintégrations de mésons de beauté. Ils deviennent de plus en plus intéressants de jour en jour car plus nous traitons de données et plus nous prenons en compte les effets pour les décrire, plus ils sont visibles, " explique le Dr Marcin Chrzaszcz (FIJ PAN, Université de Zurich), co-auteur de la dernière publication dans la revue Revue Physique Européenne C . Les trois autres auteurs sont Christoph Bobeth de l'Université technique de Munich, Danny van Dyk de l'Université de Zurich (UZ), et Javier Virto du PM et du Center for Theoretical Physics du Massachusetts Institute of Technology à Cambridge, NOUS.

Mésons, particules constituées de paires quark-antiquark, viennent dans de nombreuses variétés. Les mésons B (beauté) contiennent un quark down, l'un des composants des protons et des neutrons qui est commun dans la nature, et un anti-quark de beauté. Les mésons sont des systèmes instables et se désintègrent rapidement de manières décrites comme des canaux de désintégration. Une de ces anomalies a été observée dans le canal de désintégration du méson B en un autre méson (K*; ce méson contient un quark étrange au lieu d'un quark beauté) et une paire muon-antimuon (les muons sont des particules élémentaires aux propriétés similaires à celles des électrons, seulement presque 200 fois plus massives).

« Dans les calculs précédents, il a été supposé que lorsque le méson se désintègre, il n'y a plus d'interactions entre ses produits. Dans nos derniers calculs, nous avons également inclus des effets à longue distance appelés boucles de charme. Avec une certaine probabilité, les produits de désintégration interagissent les uns avec les autres, par exemple échanger des gluons, la particule responsable des interactions fortes, liaison des quarks dans les protons et les neutrons, " dit le Dr van Dyk (UZ).

L'effet des mesures en physique est généralement décrit par la valeur de l'écart type sigma. Un effet différant des prédictions de plus de trois écarts types (3 sigma) est traité comme une observation. On dit qu'une découverte a été faite lorsque la précision dépasse 5 sigma (ce qui signifie une probabilité de moins d'un sur 3,5 millions qu'une fluctuation aléatoire donne le résultat observé). Les analyses des désintégrations des mésons B en mésons K* et une paire muon-antimuon ont montré une tension avec la prédiction du modèle standard de 3,4 sigma (dans d'autres canaux de désintégration, des anomalies de même nature ont été observées). Pendant ce temps, l'inclusion des effets à longue portée dans la description théorique a augmenté cette valeur à 6,1 sigma. Les chercheurs espèrent que les méthodes mathématiques qu'ils ont proposées, appliqué à des canaux de désintégration similaires, augmentera également considérablement la précision des estimations.

« Les anomalies détectées ne disparaissent pas dans les analyses ultérieures. Maintenant que la description théorique de ces processus est élaborée, tout ne dépend que de la précision statistique, qui est déterminé par le nombre de désintégrations analysées. Nous aurons probablement un montant suffisant d'ici deux ou trois ans pour confirmer l'existence d'une anomalie avec une crédibilité nous autorisant à parler d'une découverte, " dit le Dr Chrzaszcz.

L'origine des anomalies observées reste inconnue. De nombreux physiciens proposent qu'une particule élémentaire inconnue en dehors du modèle standard puisse être responsable de leur existence. Un bon candidat, par exemple, serait le boson Z', proposé par les théoriciens. Vérification directe de cette hypothèse, cependant, nécessiterait d'autres expériences réalisées sur un accélérateur plus puissant que la configuration moderne du LHC.