En mars 2024, la collaboration CMS a annoncé l’observation de deux photons créant deux leptons tau lors de collisions proton-proton. C’est la première fois que ce processus est observé dans des collisions proton-proton, ce qui a été rendu possible grâce aux capacités de suivi précis du détecteur CMS. Il s'agit également de la mesure la plus précise du moment magnétique anormal du tau et offre une nouvelle façon de limiter l'existence d'une nouvelle physique.
Le tau, parfois appelé tauon, est une particule particulière de la famille des leptons. En général, les leptons, avec les quarks, constituent le contenu en « matière » du modèle standard (SM). Le tau n'a été découvert qu'à la fin des années 1970 au SLAC, et son neutrino associé, le neutrino tau, a complété la partie matière tangible lors de sa découverte en 2000 par la collaboration DONUT au Laboratoire Fermi.
La recherche précise du tau est cependant assez délicate, car sa durée de vie est très courte :il reste stable pendant seulement 290·10 -15 s (un cent quadrillionième de seconde).
Les deux autres leptons chargés, l'électron et le muon, sont plutôt bien étudiés. On en sait également beaucoup sur leurs moments magnétiques et leurs moments magnétiques anormaux associés. Le premier peut être compris comme la force et l’orientation d’un barreau magnétique imaginaire à l’intérieur d’une particule.
Cette quantité mesurable nécessite cependant des corrections au niveau quantique dues aux particules virtuelles tirant sur le moment magnétique, l'écartant de la valeur prédite. La correction quantique, appelée moment magnétique anormal, est de l'ordre de 0,1 %. Si les résultats théoriques et expérimentaux sont en désaccord, alors ce moment magnétique anormal, toutl , ouvre les portes de la physique au-delà du SM.
Le moment magnétique anormal de l’électron est l’une des grandeurs les plus précisément connues en physique des particules et s’accorde parfaitement avec le SM. Son homologue muonique, en revanche, est l’un des plus étudiés et sur lequel des recherches sont en cours. Bien que la théorie et les expériences soient pour l'essentiel d'accord jusqu'à présent, les résultats récents suscitent une tension qui nécessite une enquête plus approfondie.
Pour les tau, cependant, la course continue. Il est particulièrement difficile de mesurer son moment magnétique anormal, aτ , en raison de la courte durée de vie du tau. Les premières tentatives de mesure de aτ après la découverte du tau comportaient une incertitude 30 fois supérieure à la taille des corrections quantiques. Les efforts expérimentaux au CERN avec les détecteurs LEP et LHC ont amélioré les contraintes, réduisant les incertitudes à 20 fois la taille des corrections quantiques.
Lors des collisions, les chercheurs recherchent un processus spécial :deux photons interagissent pour produire deux leptons tau, également appelés paires di-tau, qui se désintègrent ensuite en muons, électrons ou pions chargés et neutrinos. Jusqu’à présent, ATLAS et CMS l’ont observé dans des collisions plomb-plomb ultra-périphériques. Aujourd’hui, CMS rapporte la première observation du même processus lors de collisions proton-proton. Ces collisions offrent une sensibilité physique plus élevée au-delà du SM, car les nouveaux effets physiques augmentent avec l'énergie de collision.
Grâce aux capacités de suivi exceptionnelles du détecteur CMS, la collaboration a pu isoler ce processus spécifique des autres, en sélectionnant des événements dans lesquels les taus sont produits sans aucune autre trace à des distances aussi petites que 1 mm. "Cette réussite remarquable dans la détection de collisions proton-proton ultra-périphériques ouvre la voie à de nombreuses mesures révolutionnaires de ce type avec l'expérience CMS", a déclaré Michael Pitt, de l'équipe d'analyse CMS.
Cette nouvelle méthode offre une nouvelle façon de contraindre le moment magnétique anormal tau, que la collaboration CMS a immédiatement testée. Même si la signification sera améliorée avec les données d'exécution futures, leur nouvelle mesure impose jusqu'à présent les contraintes les plus strictes, avec une précision plus élevée que jamais. Cela réduit l'incertitude des prédictions à seulement trois fois la taille des corrections quantiques.
"Il est vraiment passionnant que nous puissions enfin affiner certaines des propriétés fondamentales de l'insaisissable lepton tau", a déclaré Izaak Neutelings, de l'équipe d'analyse de CMS. "Cette analyse introduit une nouvelle approche pour sonder tau g-2 et revitalise les mesures qui stagnent depuis plus de deux décennies", a ajouté Xuelong Qin, un autre membre de l'équipe d'analyse.
Une version interactive 3D de l'affichage de l'événement avec toutes les pistes peut être vue ici.
Fourni par le CERN
