Une chance sur dix milliards. C’est la probabilité qu’une particule contenant un quark beauté se désintègre d’une façon si particulière que les physiciens la traquent depuis plus de quarante ans. Grâce à l’expérience LHCb améliorée du CERN, cette désintégration vient enfin de livrer ses premiers indices concrets, ouvrant la porte à un territoire encore jamais exploré.

Une désintégration une fois sur dix milliards : la traque de quarante ans qui touche enfin au but

Le phénomène porte un nom un peu technique : la désintégration « Bd en mu mu ». Derrière cette appellation se cache un processus d’une rareté presque vertigineuse. Une particule contenant un quark beauté se transforme en deux muons, des cousins plus lourds des électrons que l’on croise habituellement dans la matière qui nous entoure.

Ce qui rend cette désintégration si précieuse, c’est justement sa rareté. Les scientifiques estiment qu’elle ne se produit qu’environ une fois sur dix milliards de particules « belles ». Autant dire une aiguille dans une botte de foin de taille cosmique.

Le professeur Chris Parkes, qui a dirigé la collaboration internationale LHCb, a trouvé une image parlante pour décrire cette improbabilité. Selon lui, la probabilité que cette désintégration se produise est à peu près la même que celle de trouver, du premier coup, la personne idéale parmi tous les habitants de la Terre lors d’un rendez-vous romantique.

La nouvelle mesure a atteint une signification statistique de 3,2 sigma. En langage de physicien des particules, cela signifie que les chercheurs tiennent une première preuve sérieuse de ce phénomène. Il faudra néanmoins encore des données pour franchir le seuil des cinq sigma, celui qui permet de parler officiellement de découverte.

Le Grand collisionneur de hadrons transformé en détective de l’infiniment petit

Pour traquer une désintégration aussi fugace, il fallait un outil à la hauteur. L’expérience LHCb a bénéficié d’une mise à niveau majeure, un projet de conception et de construction qui s’est étalé sur quinze ans et qui a mobilisé une collaboration internationale de 1 900 membres.

Le résultat se mesure concrètement : l’expérience peut désormais collecter des données jusqu’à cinq fois plus rapidement qu’auparavant. Une accélération indispensable quand on cherche à repérer un événement aussi rare.

Au cœur de ce dispositif se trouve un composant clé : le localisateur de vertex. Il s’agit d’un détecteur de pixels en silicium, positionné à seulement cinq millimètres des faisceaux du LHC. Sa mission consiste à suivre avec une précision extrême les trajectoires des particules nées des collisions.

Le docteur Stefano De Capua, qui a dirigé la construction de ces détecteurs à l’Université de Manchester, a rappelé l’ampleur du travail collectif derrière cette prouesse technique. Près de 90 entreprises britanniques ont collaboré à la fabrication de ce détecteur, qui permet aujourd’hui de localiser précisément où un méson beauté a été produit et où il s’est désintégré en deux muons.

Les quarks beauté, eux, ne laissent que très peu de temps aux chercheurs pour les observer. Ils n’existent que pendant environ un billionième de seconde avant de se désintégrer. Autant dire qu’il faut un instrument d’une précision redoutable pour capter leur trace.

Le zeptomètre, cette échelle vertigineuse où pourraient se cacher des forces inconnues

Ce résultat n’est pas qu’une prouesse technique. Il rapproche les physiciens d’un territoire baptisé le « zeptoverse ». Ce monde inexploré se situe à des distances de l’ordre du milliardième de milliardième de mètre, une unité que les scientifiques appellent le zeptomètre.

À cette échelle, de nouvelles particules et de nouvelles forces de la nature pourraient se cacher, invisibles aux instruments actuels. C’est précisément ce que les physiciens espèrent débusquer en affinant encore leurs mesures.

Pour l’instant, la mesure obtenue reste conforme aux prédictions du Modèle Standard, la théorie qui décrit les particules fondamentales et leurs interactions. Mais chaque mesure plus précise permet aussi de chercher les failles de ce modèle, ses limites éventuelles.

Le professeur Conor Fitzpatrick, coordinateur adjoint de la physique au sein de la collaboration LHCb, résume l’enjeu avec clarté. Les physiciens du monde entier recherchent depuis plus de quarante ans l’observation de cette désintégration, et ce résultat représente une occasion unique d’observer les effets d’une nouvelle physique qui dépasse les connaissances actuelles.

L’aventure ne fait que commencer. L’expérience améliorée devrait continuer à recueillir des données jusqu’au début des années 2030, avec une précision croissante. Une autre mise à niveau est également prévue, qui pourrait multiplier par dix le taux de collecte de données et offrir une sensibilité encore plus fine aux particules non découvertes.

Le professeur Brian Cox, physicien des particules à l’Université de Manchester, livre un regard plus large sur cette avancée. Il y voit un résultat important et un bel exemple de la façon dont la science progresse, par l’amélioration constante des instruments et de la précision des observations. Selon lui, il est impossible de savoir à l’avance si ces progrès seront progressifs ou véritablement marquants, et c’est précisément ce qui fait la richesse de la démarche scientifique.

Reste à voir ce que révéleront les prochaines données. Entre confirmation du Modèle Standard et découverte d’une physique encore inconnue, le zeptoverse n’a pas fini de faire parler de lui.

Source : Phys.org