Lorsque l’accélérateur géant du CERN, Le grand collisionneur de hadrons (LHC), qui a été lancé il y a dix ans, a fait naître l’espoir que de nouvelles particules seront bientôt découvertes qui pourraient nous aider à percer les mystères les plus profonds de la physique. Matière noire, trous noirs microscopiques et dimensions cachées Ils n’étaient que quelques-uns Des possibilités.
Mais peu importe Une découverte incroyable Issu du boson de Higgs, le projet a Échouer en Fournissez des indices sur ce qui pourrait se trouver derrière Le modèle standard de la physique des particulesNos meilleures théories actuelles sur le petit univers.
Donc nous avons Nouveau papier De LHCb, L’une des quatre expériences géantes du LHC, Ferait probablement battre le cœur des physiciens un peu plus vite. Après avoir analysé les billions de collisions qui se sont produites au cours de la dernière décennie, nous pouvons voir des preuves de quelque chose d’entièrement nouveau – potentiellement le porteur d’une force entièrement nouvelle de la nature.
Mais l’enthousiasme est tempéré par une extrême prudence. Le modèle standard a résisté à tous les tests expérimentaux sur lesquels il a été effectué depuis sa compilation dans les années 1970, donc prétendre que nous voyons enfin quelque chose qu’il ne peut pas expliquer nécessite des preuves extraordinaires.
Anomalie étrange
Le modèle standard décrit la nature sur les plus petites échelles, incl Particules fondamentales Ils sont connus sous le nom de leptons (comme les électrons) et de quarks (qui peuvent se combiner pour former des particules plus lourdes telles que les protons et les neutrons) et les forces qui interagissent avec eux.
Il existe de nombreux types de quarks, dont certains sont instables et peuvent se désintégrer en d’autres particules. Le nouveau résultat concerne l’anomalie expérimentale qui a été Il a été évoqué pour la première fois en 2014Lorsque les physiciens du LHCb découvrent les quarks «beauté», les quarks se désintègrent de manière inattendue.
Plus précisément, les quarks de beauté semblaient se désintégrer moins souvent en leptons appelés «muons» qu’en électrons. C’est étrange car le muon est essentiellement une copie carbone de l’électron, identique en tout sauf qu’il est environ 200 fois plus lourd.
Vous pourriez vous attendre à ce que les quarks de beauté se désintègrent en muons comme vous le feriez en électrons. La seule façon dont ces déflexions pourraient se produire à des vitesses différentes est si des particules sans précédent étaient impliquées dans la désintégration et la fluctuation des écailles contre les muons.
Si le résultat de 2014 était intéressant, il n’était pas assez précis pour parvenir à une conclusion définitive. Depuis, un certain nombre d’autres anomalies sont apparues dans des processus connexes. Ils étaient tous individuellement si précis que les chercheurs ne pouvaient pas être sûrs qu’ils étaient de véritables marqueurs de la nouvelle physique, mais curieusement, ils semblaient tous pointer dans une direction similaire.
La grande question était de savoir si ces anomalies deviendraient plus fortes à mesure que davantage de données seraient analysées ou se dissolveraient dans rien. En 2019, LHCb a réalisé La même mesure De Quark La beauté s’estompe à nouveau, mais avec des données supplémentaires prises en 2015 et 2016. Mais les choses n’étaient pas beaucoup plus claires qu’il y a cinq ans.
Nouveaux résultats
Le résultat d’aujourd’hui double le jeu de données actuel en ajoutant l’échantillon enregistré en 2017 et 2018. Pour éviter les biais accidentels, les données ont été analysées «à l’aveugle» – les scientifiques n’ont pas pu voir le résultat tant que toutes les procédures utilisées dans la mesure n’ont pas été testées et examinées.
Mitch PatelUn physicien des particules de l’Imperial College de Londres et l’un des pionniers de l’expérience a décrit l’excitation qu’il ressentait lorsqu’il était temps de regarder le résultat. «En fait, je frissonnais», a-t-il dit, «j’ai réalisé que c’était probablement la chose la plus excitante que j’avais faite au cours de mes 20 ans en physique des particules.
Lorsque le résultat est apparu sur l’écran, l’anomalie était toujours là – environ 85 muons se désintègrent pour 100 électrons, mais avec moins d’incertitude qu’auparavant.
Ce qui passionnera de nombreux physiciens, c’est que l’incertitude sur le résultat est maintenant au-dessus de « trois sigma » – la manière des scientifiques de dire qu’il n’y a qu’environ une chance sur mille que le résultat soit une coïncidence aléatoire des données. Traditionnellement, les physiciens des particules appellent plus de trois sigma un «guide». Cependant, nous sommes encore loin d’une « découverte » ou d’une « observation » avérée – qui nécessite cinq sigma.
Les théoriciens ont montré que cette anomalie (et d’autres) peut être expliquée en reconnaissant la présence de particules complètement nouvelles qui influencent les modes de désintégration des quarks. Une possibilité est une particule fondamentale appelée « Z Prime » – qui est, par essence, un porteur d’une force naturelle entièrement nouvelle. Cette force sera très faible, c’est pourquoi nous n’en avons encore vu aucun signe, et elle interagira différemment avec les électrons et les muons.
Une autre option est la valeur par défaut.Leptocarc« – une particule avec la capacité unique de se désintégrer simultanément en quarks et leptons et qui pourrait faire partie d’un puzzle plus vaste qui explique pourquoi nous voyons des particules que nous créons dans la nature.
Interprétation des résultats
Avons-nous enfin vu des preuves d’une nouvelle physique? Eh bien, peut-être, peut-être pas. Nous effectuons une grande partie des mesures au LHC, vous pouvez donc vous attendre à ce qu’au moins certaines d’entre elles soient loin du modèle standard. Et nous ne pouvons jamais exclure la possibilité qu’il y ait un biais dans notre expérience dont nous n’avons pas correctement tenu compte, même si ce résultat a été examiné avec une précision extraordinaire. Au final, l’image sera plus claire avec plus de données. Le LHCb fait actuellement l’objet d’une mise à niveau majeure pour augmenter considérablement le taux d’enregistrement des collisions.
Même si l’anomalie persiste, elle sera probablement pleinement acceptée une fois qu’un essai indépendant aura confirmé les résultats. Une possibilité intéressante est que nous pourrions être en mesure de découvrir les nouvelles particules responsables de l’effet créé directement dans les collisions dans le LHC. Pendant ce temps, le Belle expérience II Au Japon, il devrait pouvoir effectuer des mesures similaires.
Qu’est-ce que cela pourrait donc signifier pour l’avenir de la physique fondamentale? Si ce que nous voyons est vraiment le signe avant-coureur de certaines nouvelles particules fondamentales, ce sera finalement la percée dont les physiciens aspirent depuis des décennies.
Nous aurons enfin vu une partie de l’image plus grande qui sort du modèle standard, ce qui peut finalement nous permettre de révéler un certain nombre d’énigmes spécifiques. Ceux-ci incluent la nature de la matière noire invisible remplissant l’univers ou la nature du boson de Higgs. Cela peut même aider les théoriciens à unifier les particules et les forces fondamentales. Ou, peut-être mieux que tout, cela pourrait faire référence à quelque chose auquel nous n’avions même jamais pensé.
Alors, devrions-nous être excités? Oui, des résultats comme celui-ci ne se produisent pas souvent, le harcèlement est définitivement en cours. Mais nous devons aussi être méfiants et humbles; Les réclamations inhabituelles nécessitent des preuves extraordinaires. Seuls le temps et le travail acharné détermineront si nous avons enfin vu la première lueur de ce qui se cache derrière notre compréhension actuelle de la physique des particules.
Cet article a été initialement publié Conversation. Il a été écrit par Constantius Alexandros Pettridis de l’Université de Bristol et Harry Cliff et Paula Alvarez Kartel de l’Université de Cambridge.
