Les électrons avec des « collègues » — d'autres leptons — sont l'un des nombreux produits des collisions observées dans l'expérience LHCb au Grand collisionneur de hadrons. Selon les théoriciens, certaines de ces particules peuvent être créées dans des processus qui s'étendent au-delà de la physique standard. La dernière analyse vérifie ces prédictions.

Les anomalies observées dans l'expérience LHCb dans la désintégration des mésons B cachent-elles des particules jusqu'ici inconnues en dehors du modèle standard actuellement valide et bien testé ? Pour répondre à cette question, les physiciens recherchent non seulement d'autres signes de l'existence de nouvelles particules, mais aussi pour les traces des phénomènes qui peuvent se produire avec eux. L'un des procédés proposés par des théoriciens dépassant le monde de la physique connue est la rupture du principe de conservation de l'arôme leptonique. Ce phénomène hypothétique était au centre de l'intérêt d'un groupe international de chercheurs, qui comprenait des représentants de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, Technische Universität à Dortmund (TUD) et Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) à Paris. Ils ont porté une attention particulière à l'analyse des données collectées en 2011-12 lors de collisions de protons dans le cadre de l'expérience LHCb au Grand collisionneur de hadrons du CERN près de Genève. Leurs résultats sont discutés dans le prestigieux Lettres d'examen physique .

Grâce à des décennies d'expériences et de mesures réalisées par des physiciens nucléaires et des chercheurs en rayons cosmiques, on sait que les particules de matière se divisent en deux familles totalement indépendantes :les quarks et les leptons (avec leurs homologues antimatière). Quarks (en haut, vers le bas, charme, étrange, haut et bas) apparaissent toujours en groupes. Les systèmes de deux quarks sont appelés mésons, ceux constitués de trois quarks sont des baryons. Ces derniers comprennent les protons et les neutrons, les particules qui composent les noyaux atomiques. À son tour, les leptons comprennent les électrons, muons, particules tau et leurs neutrinos correspondants.

« Les propriétés des leptons et des quarks diffèrent fondamentalement. En conséquence, les deux groupes de particules sont décrits en utilisant des ensembles de nombres différents, appelés nombres quantiques. L'un des nombres quantiques utilisés pour décrire les leptons est le nombre de leptons. Par exemple, chaque électron a un nombre électronique de 1. À son tour, contreparties antimatière des électrons, c'est-à-dire des positons, avoir un nombre électronique de -1, " explique le Dr Jihyun Bhom (FIJ PAN), le principal auteur de l'analyse. "C'est ainsi que nous arrivons au phénomène clé pour expliquer le sens de notre travail. Sous le modèle standard, le principe de conservation du nombre de leptons s'applique. Il dit que la somme des nombres de leptons de particules au début et à la fin du processus doit toujours être la même."

L'exigence de préserver le nombre de leptons signifie que si, par exemple, deux électrons avec un nombre total d'électrons de deux participent à une interaction, à la fin du processus, ce nombre sera également deux. Dans l'exemple présenté, sous le modèle standard, il est possible de produire deux électrons ainsi que quatre électrons et deux positons, etc.

Les leptons et les quarks peuvent être divisés en trois groupes appelés générations. L'existence du même nombre de générations de leptons et de quarks a incité les théoriciens à supposer qu'avec une énergie suffisamment élevée, les leptons et les quarks pourraient « se souder » en leptoquarks, particules hypothétiques ayant les caractéristiques à la fois des leptons et des quarks. S'ils existaient, les leptoquarks doivent être des particules instables avec des masses très élevées, comparable même à la masse d'un noyau de plomb entier.

« Dans les processus impliquant des leptoquarks, les nombres de leptons ne sont pas conservés. La détection de traces de phénomènes où le principe de conservation du nombre de leptons a été violé serait donc une étape importante sur la voie de la détection de particules en dehors du Modèle Standard. En particulier, cela nous permettrait d'interpréter plus facilement la nature des anomalies qui ont été récemment de plus en plus clairement visibles dans les données de la désintégration des mésons B, c'est-à-dire des particules contenant le quark down et le quark bottom, " dit le Dr Bhom.

Dans les dernières analyses statistiques, il s'est avéré nécessaire d'utiliser l'intelligence artificielle, et pas une seule.

"Nous nous sommes intéressés aux désintégrations du méson B menant à la formation du méson K, un muon et un électron. Cependant, il se trouve que sous le modèle standard, une proportion importante des désintégrations des mésons B conduit exactement aux mêmes produits avec ajout de neutrinos (ces derniers ne peuvent pas être enregistrés). Cet immense arrière-plan a dû être éliminé très précisément des données collectées. Une intelligence artificielle était responsable de cette tâche. La seconde s'est avérée nécessaire pour se débarrasser des résidus de fond qui traversaient la première, " explique le Dr Bhom.

Malgré l'utilisation d'outils mathématiques sophistiqués, les chercheurs de la FIJ PAN, Le TUD et le CNRS n'ont pas réussi à détecter des traces de phénomènes rompant la conservation du nombre de leptons. Cependant, Chaque nuage a une ligne argentée.

"Avec une certitude allant jusqu'à 95%, nous avons amélioré les restrictions existantes sur les solutions présentées par les théoriciens pour expliquer la présence d'anomalies dans la désintégration des mésons B par un ordre de grandeur entier. En conséquence, nous sommes les premiers à avoir considérablement restreint le champ de recherche des théories expliquant l'existence de ces anomalies à l'aide de la nouvelle physique, " souligne le Dr Bhom.

S'ils existent, les processus qui brisent le principe de préservation du nombre de leptons se produisent évidemment beaucoup moins fréquemment que ne pourraient le prédire les extensions les plus populaires du modèle standard impliquant les leptoquarks. Quoi de plus, les anomalies dans la désintégration des mésons B eux-mêmes n'ont pas besoin d'être associées à de nouvelles particules. On ne peut toujours pas exclure qu'il s'agisse d'artefacts de techniques de mesure, les outils mathématiques utilisés ou le résultat de la non-prise en compte de certains phénomènes se produisant au sein de la physique actuellement connue. On ne peut qu'espérer que par la suite, analyses déjà initiées, en tenant compte des dernières données collectées au LHC, dissipera enfin les doutes sur l'existence d'une physique au-delà du modèle standard d'ici quelques années.