Une anomalie de désintégration au LHC suggère une possible faille du Modèle standard

Une remise en question d’une théorie cinquantenaire

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, situé à Genève, livre des indices qui pointent vers une physique jusqu’ici inexplorée grâce à des recherches récentes qui y ont été menées. Cette installation monumentale consiste en un accélérateur de particules géant, niché dans un tunnel circulaire de 27 kilomètres de long sous la frontière franco-suisse. Son objectif principal consiste à déceler des failles dans le modèle standard. Les récentes observations indiquent que la façon dont certaines particules subatomiques spécifiques se comportent au sein du LHC entre en désaccord avec ce cadre théorique. Si ces éléments venaient à être confirmés, ils pourraient renverser cette théorie qui domine la physique des particules depuis cinquante ans.

Le modèle standard est bâti sur deux des avancées les plus transformatrices de la physique du vingtième siècle : la mécanique quantique et la relativité restreinte d’Albert Einstein. Il décrit les particules fondamentales, ces briques élémentaires de la matière qui ne peuvent être divisées en unités plus petites. La manière dont ces particules interagissent est régie par quatre forces fondamentales : la gravité, l’électromagnétisme, la force faible et la force forte. Les physiciens comparent en permanence les mesures effectuées dans des installations comme le LHC avec les prédictions basées sur le modèle standard pour tester la théorie de façon rigoureuse.

Malgré le fait que nous savons que le modèle standard est incomplet, aucune faille n’y avait été trouvée par les physiciens des particules en plus de cinquante années de tests toujours plus stricts, jusqu’à potentiellement aujourd’hui. Cette théorie constitue notre meilleure compréhension des particules et des forces fondamentales, mais elle ne peut pas représenter l’histoire entière. Elle n’explique en effet ni la gravité, ni la matière noire, ce type de matière invisible et jusqu’ici non mesurée qui représente approximativement 25 % de l’univers.

La rigueur de l’expérience LHCb face aux probabilités

Afin de mettre au jour des indices de cette physique non découverte, le LHC fait entrer en collision des faisceaux de particules de protons voyageant dans des directions opposées. Les nouveaux résultats émanent de LHCb, une expérience spécifique du Grand collisionneur de hadrons où ces collisions sont analysées. L’étude s’est concentrée sur le résultat de la désintégration, qui s’apparente à une sorte de transformation, de particules subatomiques appelées mésons B. L’investigation portait sur la façon dont ces mésons B se désintègrent en d’autres particules, trouvant que la façon particulière dont cela se produit contredit les prédictions du modèle standard.

Ces mesures, acceptées pour publication dans la revue Physical Review Letters, mettent en évidence une tension de quatre écarts-types par rapport aux attentes du modèle standard. En termes concrets, après avoir pris en compte les incertitudes liées aux résultats expérimentaux et aux prédictions de la théorie, il n’y a qu’une chance sur 16 000 qu’une fluctuation aléatoire des données d’une telle ampleur se produise si le modèle standard est exact.

Ce niveau de preuve n’atteint pas encore la référence absolue en science, désignée sous le terme de « cinq sigma », ou cinq écarts-types. Ce seuil correspond à environ une chance sur 1,7 million, mais les preuves commencent à s’accumuler. Cette narration convaincante est enrichie par les résultats d’une autre expérience indépendante du LHC, nommée CMS, qui ont été publiés plus tôt en 2025. Bien que les résultats de CMS ne soient pas aussi précis que ceux de l’expérience LHCb, ils concordent bien, renforçant le dossier. Ces nouveaux résultats ont été trouvés dans une étude portant sur un type particulier de processus, connu sous le nom de désintégration électrofaible en pingouin.

Les secrets de la désintégration en « pingouin »

Le terme de « pingouin » fait référence à un type spécifique de désintégration, ou transformation, de particules à courte durée de vie. Dans ce cas précis, les chercheurs examinent comment le méson B se désintègre en quatre autres particules subatomiques : un kaon, un pion et deux muons. Avec un peu d’imagination, il est possible de visualiser la disposition des particules impliquées dans ce processus comme ressemblant à un pingouin.

L’importance cruciale de ces mesures réside dans leur capacité à permettre l’étude de la façon dont un type de particule fondamentale, le quark beauté, peut se transformer en un autre, le quark étrange. Cette désintégration en pingouin est incroyablement rare selon le modèle standard : sur un million de mésons B, un seul se désintégrera de cette manière.

Les scientifiques ont soigneusement analysé les angles et les énergies auxquels ces particules sont produites lors de la désintégration, et ont déterminé précisément la fréquence à laquelle le processus se déroule. Le constat est limpide : les mesures de ces différentes quantités entrent en contradiction directe avec les prédictions du modèle standard.

Observation indirecte et perspectives lointaines

L’investigation précise de désintégrations de ce genre représente l’un des objectifs primordiaux de l’expérience LHCb, et cela depuis sa création en 1994. Les processus en pingouin possèdent une sensibilité unique aux effets de nouvelles particules potentiellement très lourdes, qu’il est impossible de créer directement au LHC. Ces particules hypothétiques pourraient tout de même exercer une influence mesurable sur ces désintégrations au-delà de la petite contribution du modèle standard.

Ce type d’observation indirecte n’est pas nouveau. À titre d’exemple, la radioactivité a été découverte 80 ans avant que les particules fondamentales qui en sont responsables, les bosons W, ne soient directement observées. Les études de ces processus rares permettent d’explorer des pans de la nature qui, autrement, ne deviendraient accessibles qu’en utilisant les collisionneurs de particules prévus pour les années 2070.

Une vaste gamme de nouvelles théories potentielles peut expliquer ces découvertes. Beaucoup contiennent de nouvelles particules appelées « leptoquarks » qui unissent les deux différents types de matière : les « leptons » et les « quarks ». D’autres théories potentielles contiennent des particules qui sont des analogues plus lourds de celles déjà trouvées dans le modèle standard. Les nouveaux résultats contraignent la forme de ces modèles et dirigeront les futures recherches visant à les détecter.

Des « pingouins charmants » à l’horizon des années 2030

Malgré l’enthousiasme généré, des questions théoriques restent ouvertes et empêchent de revendiquer définitivement que la physique au-delà du modèle standard a été observée. La question la plus sérieuse provient d’un ensemble de processus présents dans le modèle standard, désignés sous l’appellation de « pingouins charmants », dont les contributions sont extrêmement délicates à prédire. Des estimations récentes de ces pingouins charmants suggèrent que leurs effets ne sont pas assez importants pour expliquer les données. Une combinaison d’un modèle théorique et de données expérimentales de LHCb suggère en outre que les pingouins charmants, et par conséquent le modèle standard, peinent à expliquer ces résultats anormaux.

Les nouvelles données déjà collectées permettront de confirmer la situation dans les années à venir. Dans le cadre de leurs travaux actuels, les chercheurs ont étudié environ 650 milliards de désintégrations de mésons B enregistrées entre 2011 et 2018 pour trouver ces processus en pingouin. Depuis lors, l’expérience LHCb a enregistré trois fois plus de mésons B.

Des avancées supplémentaires sont prévues pour les années 2030 afin d’exploiter les futures améliorations du LHC et d’accumuler un ensemble de données encore 15 fois plus volumineux. Cette étape ultime offrira la possibilité de formuler des affirmations définitives, débloquant potentiellement une nouvelle compréhension de la façon dont l’univers fonctionne à son niveau le plus élémentaire.

Selon la source : phys.org