Les scientifiques du CERN ont rendu compte de leur première preuve significative d'un processus prédit par la théorie, ouvrant la voie à la recherche de preuves d'une nouvelle physique dans les processus particulaires qui pourraient expliquer la matière noire et d'autres mystères de l'univers.

Aujourd'hui la collaboration CERN NA62, qui est en partie financé par le Science and Technology Facilities Council (STFC) du Royaume-Uni et implique un certain nombre de scientifiques britanniques, a présenté à la conférence ICHEP 2020 à Prague la première preuve expérimentale significative de la désintégration ultra-rare du kaon chargé en un pion chargé et deux neutrinos, (c'est-à-dire K ⁺ → ⁺ ).

Le processus de désintégration est important dans la recherche de pointe en physique, car il est très sensible aux écarts par rapport aux prévisions théoriques. Cela signifie que c'est l'une des choses les plus intéressantes à observer pour les physiciens à la recherche de preuves pour soutenir un modèle théorique alternatif en physique des particules.

Professeur Mark Thomson, physicien des particules et président exécutif du STFC, a déclaré qu'il s'agissait d'un progrès passionnant car le résultat montre comment des mesures précises de ce processus pourraient conduire à une nouvelle physique, au-delà du modèle standard de physique des particules développé dans les années 1970 :

"Le modèle standard décrit les forces fondamentales et les éléments constitutifs de l'univers. C'est une théorie très réussie, mais il y a plusieurs mystères de l'univers que le modèle standard n'explique pas, comme la nature de la matière noire et les origines du déséquilibre matière-antimatière dans l'univers.

"Les physiciens ont recherché des extensions théoriques au modèle standard. Les mesures de processus ultra-rares offrent une voie passionnante pour explorer ces possibilités, dans l'espoir de découvrir une nouvelle physique au-delà du modèle standard."

Les participants britanniques à cette recherche viennent des universités de Birmingham, Bristol, Glasgow et Lancaster, et ont été financés par STFC qui fait partie de UK Research and Innovation, ainsi que par la Royal Society et le Conseil européen de la recherche (ERC).

L'expérience NA62 a été conçue et construite, avec une contribution britannique significative, spécifiquement pour la mesure de ces désintégrations ultra-rares du kaon, à partir de kaons produits par un faisceau unique de protons à haute intensité fourni par le complexe d'accélérateurs du CERN. Les kaons sont créés par la collision de protons de haute énergie provenant du super synchrotron à protons (SPS) du CERN dans une cible de béryllium stationnaire. Cela crée un faisceau de particules secondaires qui contient et se propage près d'un milliard de particules par seconde, dont environ 6% sont des kaons. L'objectif principal de NA62 est de mesurer avec précision comment la particule de kaon chargé se désintègre en un pion et une paire neutrino-antineutrino. Le Royaume-Uni a un rôle de premier plan dans le K ⁺ → ⁺ νν analyse de désintégration.

« Ce processus de désintégration du kaon est appelé « canal d'or » en raison de la combinaison d'être à la fois ultra-rare et parfaitement prédit dans le modèle standard. Il est très difficile à capturer et est très prometteur pour les scientifiques à la recherche d'une nouvelle physique, " explique le professeur Cristina Lazzeroni, Physicien des particules à l'Université de Birmingham, et porte-parole de NA62.

"C'est la première fois que nous avons pu obtenir des preuves expérimentales significatives de ce processus de désintégration. C'est un moment passionnant car il s'agit d'une étape fondamentale vers la capture de la mesure précise de la désintégration et l'identification des écarts possibles par rapport au modèle standard.

"À son tour, cela nous permettra de trouver de nouvelles façons de comprendre notre univers. Les instruments et les techniques développés dans l'expérience NA62 conduiront à la prochaine génération d'expériences de désintégration des kaons rares."

Le nouveau résultat mesuré avec une précision de 30%, donne la mesure la plus précise à ce jour de ce processus. Le résultat est conforme aux attentes du modèle standard, mais laisse encore place à l'existence de nouvelles particules.

Plus de données sont nécessaires pour parvenir à une conclusion définitive sur la présence ou non d'une nouvelle physique.

Le Dr Giuseppe Ruggiero, boursier du STFC Ernest Rutherford, de l'Université de Lancaster, est le principal analyste de cette mesure depuis 2016, et a aidé à créer l'expérience. Il a dit:

"L'analyse des données de l'expérience a posé un réel défi. Nous avons dû supprimer une énorme quantité de données indésirables, d'environ mille milliards de fois. Et nous devions le faire sans perdre le minuscule signal que nous voulions détecter. C'est beaucoup plus difficile que de trouver une aiguille dans un million de meules de foin ! Nous avons utilisé une méthode appelée technique d'analyse aveugle. Ainsi appelé, car l'analyse se fait sans chercher dans la région, ou "boîte aveugle", où le signal est censé être."

STFC a également financé deux bourses Ernest Rutherford, un à l'Université de Liverpool puis de Lancaster, et un à l'Université de Birmingham. En outre, trois doctorants de l'Université de Birmingham ont reçu le soutien de STFC et un travaille actuellement en tant que chercheur postdoctoral sur le projet. Les cinq physiciens en début de carrière ont tous travaillé sur le projet.

Les données utilisées dans la recherche ont été prises entre 2016-2018 sur le site du CERN de Prévessin, en France, et la recherche implique plus de 200 scientifiques de 31 institutions. Une nouvelle période de prise de données débutera en 2021 et permettra à la collaboration NA62 d'apporter une réponse plus précise à la question de la nouvelle physique.

Les résultats

Le nouveau résultat provient d'une analyse détaillée de l'ensemble complet de données NA62 collectées jusqu'à présent, correspondant à une exposition de 6×10 ¹² le kaon se désintègre. Parce que le processus mesuré est si rare, l'équipe a dû faire particulièrement attention à ne rien faire qui puisse fausser le résultat. Pour cette raison, l'expérience a été réalisée comme une « analyse à l'aveugle », où les physiciens ne regardent d'abord que l'arrière-plan pour vérifier que leur compréhension des différentes sources est correcte.

Seulement une fois qu'ils en sont satisfaits, ils regardent la région des données où le signal est censé être; c'est ce qu'on appelle "l'analyse à l'aveugle". Suite à une analyse à l'aveugle, dix-sept K ⁺ → ⁺ νν les candidats sont observés dans le jeu de données principal collecté en 2018, révélant un excès significatif par rapport au bruit de fond attendu de seulement 5,3 événements.

Cet excès conduit à la première preuve de ce processus (avec une signification statistique supérieure au niveau « trois sigma »). Le taux de décroissance, mesuré avec une précision de 30%, donne la mesure la plus précise à ce jour de ce processus. Le résultat est conforme aux attentes du modèle standard, mais laisse toujours place à de nouveaux effets physiques. Plus de données sont nécessaires pour parvenir à une conclusion définitive sur la présence ou non d'une nouvelle physique.

La probabilité que ce processus se produise, appelé « rapport de branchement », pour l'ultra-rare K ⁺ → ⁺ La décroissance νν est très petite et prédite dans le modèle standard de la physique des particules avec une grande précision :(8,4 ± 1,0) × 10 ^-11 . Cela conduit à une sensibilité exceptionnelle aux phénomènes possibles au-delà de la description du modèle standard, faisant de cette désintégration un "mode d'or", c'est-à-dire l'une des observables les plus intéressantes à la frontière de la précision de la physique des particules. L'étude expérimentale est cependant extrêmement difficile en raison du faible taux, une paire de neutrinos à l'état final, et d'énormes processus d'arrière-plan potentiels. En raison de ses caractéristiques, l'expérience NA62 a une excellente sensibilité à une variété de désintégrations de kaons rares et de processus exotiques.

La collaboration NA62 se prépare à collecter un ensemble de données encore plus important en 2021-24, lorsque le SPS du CERN reprendra son fonctionnement, prendre des données à une intensité de faisceau plus élevée avec une ligne de faisceau et une configuration de détecteur améliorées. La prochaine cible est une observation "cinq sigma" du K ⁺ → ⁺ pourriture, suivi d'une mesure du taux de décroissance avec une précision de 10 %, fournissant ainsi un puissant test indépendant du modèle standard de la physique des particules. L'horizon d'un nouveau programme de physique avec une sensibilité aux taux de désintégration bien en deçà des 10 ^-11 le niveau est maintenant en vue.

Pour l'avenir à plus long terme, un programme de faisceaux de kaons de haute intensité commence à prendre forme, avec des perspectives pour mesurer le K ⁺ → ⁺ décroissance à quelques % de précision, pour traiter la désintégration analogue du kaon neutre, KL → π ⁰ , et d'atteindre des sensibilités extrêmes à une grande variété de désintégrations de kaons rares qui complètent les recherches dans le secteur des quarks de beauté.