Des cas rares de désintégration de particules appuient le modèle standard

Le modèle standard de la physique des particules permet de décrire admirablement les processus qui se jouent dans l’univers des particules élémentaires. Il existe cependant des objets du monde physique que le modèle standard ne conçoit pas : par exemple, ce qu’on appelle la matière noire ou matière sombre. observée par les astronomes dans l’espace, cette dernière représente une partie essentielle de la matière dans l’univers. Mais les chercheurs ignorent encore tout sur sa nature. Ils sont donc à la recherche de versions modifiées ou élargies du modèle standard, qui incluraient aussi cette matière supplémentaire. Pour savoir si le monde est correctement décrit par le modèle classique, ou plutôt par une forme modifiée de ce dernier, les chercheurs étudient des processus, d’un côté susceptibles d’être observés grâce aux méthodes actuelles, et pour lesquels, de l’autre, les divers modèles font des prédictions différentes.

Des désintégrations rares pour mettre à l’épreuve le modèle standard

Exemple de ce genre de processus : la désintégration du méson B_s (voir encadré). Un méson B_s se désintègre en d’autres particules en un laps de temps très court (environ 0,000'000'000'001’5 de seconde). En ce qui concerne la composition du produit final de cette désintégration, il existe de nombreuses possibilités différentes. L’une d’entre elle est la désintégration du méson en deux muons – l’un positif, l’autre négatif. Pour mettre à l’épreuve le modèle standard, cette désintégration revêt deux attraits particuliers. D’un côté, la probabilité prédite par le modèle standard pour cette désintégration peut être calculée plutôt précisément ; la comparaison de cette prédiction avec les résultats de mesure est donc aisément possible. De l’autre, cette désintégration est très improbable (d’après la prédiction, seul un méson B_s sur 300'000'000 se désintègre de la sorte). De fait, les influences, même infimes, d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard se traduiraient par un net écart de la probabilité de désintégration par rapport à la valeur prédite. Dans la nouvelle physique, il existerait par exemple des particules supplémentaires, inconnues dans le modèle standard. Ces dernières pourraient officier comme un niveau intermédiaire supplémentaire dans la transformation du méson B_s en deux muons, ouvrant ainsi une nouvelle possibilité pour cette désintégration, ce qui modifierait sa probabilité. Une désintégration par ce nouveau canal serait aussi extrêmement improbable, mais sa probabilité serait comparable avec celle que prédit le modèle standard, explique Urs Langenegger, physicien dans le groupe de travail Physique des hautes énergies au PSI, qui dirige le projet. On identifierait donc clairement l’écart. Alors qu’avec une désintégration beaucoup plus probable, ce faible écart ne pourrait pas être décelé.

Les chercheurs du PSI identifient pour la première fois le cas rare de désintégration

Avec d’autres chercheurs du PSI, Urs Langenegger est responsable depuis 2005 de la recherche de cette désintégration dans les données adu détecteur CMS au CERN. Leur mission : parmi les milliards de milliards de particules observées au cours des quatre dernières années au détecteur CMS, identifier de manière fiable les muons issus des désintégrations recherchées. Or, leur dépouillement a montré à présent, et pour la première fois, que la fréquence de ces désintégrations coïncidait bel et bien avec les prédictions du modèle standard. Les résultats ont été confirmés en même temps par des collègues travaillant au LHCb, une autre expérience au CERN.

Le défi : filtrer les bons muons

Lors de ces analyses, le défi est le suivant : parmi les particules observées, celles qui ressemblent aux muons recherchés sont nombreuses – en fait, beaucoup plus nombreuses. Il faut donc être certain de bien filtrer ces particules similaires. Pour commencer, il s’agit de dénicher des paires de muons, dont les trajectoires partent d’un point commun et qui sont donc susceptibles d’être le produit de la désintégration d’une particule. Ensuite, il faut que les énergies cinétiques des deux muons correspondent à la masse du méson désintégré. Un autre critère important est l’isolement, ajoute Urs Langenegger. Autrement dit, il faut qu’à proximité des muons considérés, il n’y ait pas d’autres particules issues du même point. Sans quoi, il pourrait s’agir de deux muons issus de deux désintégrations différentes, qui se seraient produites à proximité l’une de l’autre. Ensuite, les nombreuses autres particules qui se constituent en plus du muon nous indiquent que les muons en question ne sont pas le produit de la désintégration que nous recherchons. Enfin, il arrive que d’autre particules dans le détecteur aient l’air a priori d’être des muons. Elles aussi, il faut pouvoir les identifier de manière fiable. Les nombreux critères, au moyen desquels il est possible de distinguer les bonnes particules des mauvaises, ont d’abord dû être testés et appliqués dans les programmes informatiques correspondants, qui passent ensuite au peigne fin les résultats de mesures.

Toutefois, il y aura toujours des paires de muons qui auront l’air d’être issues de la bonne désintégration, parce que leurs énergies correspondent à la masse du méson B_s, et que l’on ne peut pas les filtrer. Comme ces paires sont le produit du hasard, il y aura d’autres paires qui auront l’air d’être issues de la désintégration d’une particule avec une autre masse. Autrement dit, on n’a la preuve d’avoir trouvé la désintégration recherchée que si l’on observe nettement plus de paires correspondant à la bonne masse que de paires correspondant aux autres mases.

Un détecteur conçu au PSI révèle les trajectoires précises des particules

Les chercheurs du PSI n’étaient pas seulement responsables du dépouillement des données pour la désintégration du méson B_s, ils ont aussi construit et développé une pièce centrale du détecteur CMS : le détecteur à pixels, qui forme le cœur du détecteur global. Le détecteur à pixels permet de déterminer les trajectoires des particules de manière tellement précise, qu’il est possible d’établir quelles sont les trajectoires issues du même point, et donc si les particules observées résultent de la désintégration d’une seule et même particule. Tous les chercheurs qui dépouillent les données du détecteur CMS profitent du détecteur – notamment ceux qui sont à la recherche du boson de Higgs.

Toujours à la recherche d’une nouvelle physique

Le fait que la probabilité de désintégration du méson B_s en deux muons confirme la prédiction du modèle standard ne veut pas dire qu’il n’existe pas de nouvelle physique. Ce constat exclut seulement une série de modèles qui attribuent une autre probabilité à cette désintégration. D’autres expériences continuent donc d’être menées pour mettre à l’épreuve les prédictions du modèle standard. Par exemple l’expérience MEG au PSI, dans le cadre de laquelle les chercheurs recherchent une désintégration extrêmement rare du muon. Prochain objectif pour les chercheurs emmenés par Urs Langenegger : les mésons B conventionnels. Leurs désintégrations en deux muons conviennent aussi pour tester le modèle standard. Mais les données issues des expériences menées jusqu’ici au CERN ne suffisent pas pour analyser ces désintégrations, explique Urs Langenegger. Cela devrait changer lorsque le Grand collisionneur de hadrons LHC reprendra du service en 2015. L’observation des désintégrations B fournira peut-être les indices d’une physique au-delà du modèle standard. Et nous serons de nouveau aux premières loges.

Texte: Paul Piwnicki

À propos du PSI

L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à disposition de la communauté nationale et internationale. Les principales recherches de l’Institut sont centrées dans le domaine matière et matériaux, energie et environnement, santé. Avec 1500 collaborateurs et un budget annuel d’environ 300 millions CHF, le PSI est le plus grand centre de recherche de Suisse.