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Au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, des études portant sur des processus rares permettent aux scientifiques de déduire la présence de particules lourdes, notamment de particules inconnues, qui ne peuvent être produites directement. De telles particules pourraient se situer en dehors du cadre du Modèle standard et aider à expliquer quelques-unes des énigmes de l'Univers, comme l'existence de la matière noire, les masses des neutrinos (ces particules insaisissables que l'on a longtemps cru dépourvues de masse) et l'asymétrie matière-antimatière de l'Univers.
L'un de ces processus est une désintégration rare, celle de mésons B neutres en une paire muon-antimuon (le muon étant le cousin lourd de l'électron). Il existe deux types de mésons B neutres : les mésons B0 composés d'un antiquark beauté et d'un quark down, et les mésons Bs composés d'un antiquark beauté et d'un quark étrange. D’après les prédictions, en l’absence de nouvelle particule intervenant dans ces désintégrations rares, un méson Bs sur 250 millions se désintégrera en une paire muon-antimuon ; dans le cas d'un méson B0, le processus est encore moins fréquent, car il ne se produit qu'une fois sur 10 milliards.
Les scientifiques cherchent une confirmation expérimentale de ces désintégrations depuis les années 1980. Ce n'est qu'en 2014 que la première observation de désintégration de méson Bs a été signalée dans une analyse combinée de données prises par les collaborations LHCb et CMS, avant d'être ensuite confirmée séparément par les expériences ATLAS, CMS et LHCb. Cependant, la désintégration du méson B0 échappe encore à toute tentative d'observation.
À l'aide de données collectées durant la deuxième période d'exploitation du LHC, la collaboration CMS a publié une nouvelle étude sur le taux de désintégration et la durée de vie du méson Bs, ainsi que sur la recherche de la désintégration du méson B0. Présentée lors de la Conférence internationale sur la physique des hautes énergies (ICHEP), cette étude s’appuie sur l’analyse d’une grande quantité de données, et bénéficie également de l’usage d'algorithmes d'apprentissage automatique qui permettent de faire ressortir les événements relevant de cette désintégration rare sur l'énorme bruit de fond produit par les millions de collisions de particules par seconde.
Les résultats ont révélé un signal très clair de désintégration du méson Bs en une paire muon-antimuon. La précision de la mesure du taux de désintégration dépasse celle atteinte dans les précédentes mesures par d’autres expériences.
Le taux de désintégration observé du méson Bs (3,8 ± 0,4 milliardièmes) et la mesure de sa durée de vie (1,8 ± 0,2 picosecondes[1]) sont très proches des valeurs prédites par le Modèle standard.
S’agissant de la désintégration du méson B0, bien qu'aucun indice de ce phénomène n’apparaisse dans ces résultats, les scientifiques sont capables de dire avec une certitude de 95 % que le taux de désintégration est inférieur à 1 partie pour 5 milliards.
Ces dernières années, plusieurs anomalies ont été observées lors d'autres désintégrations rares de mésons B, les données ne confirmant pas les prédictions théoriques, ce qui pourrait signaler l’existence de nouvelles particules. Le récent résultat de CMS est plus proche des prédictions théoriques que ne le sont ces autres désintégrations rares et pourrait donc aider les scientifiques à comprendre la nature des anomalies.
Les désintégrations rares de mésons B continuent de présenter un grand intérêt pour les scientifiques. Maintenant que les désintégrations de mésons Bs en muons ont été établies et mesurées avec précision, les scientifiques se concentrent désormais sur la désintégration des muons B0. En utilisant les grands ensembles de données attendus de la troisième période d'exploitation du LHC, ils espèrent repérer ce processus extrêmement rare et mieux comprendre ces anomalies inexpliquées.
[1]Une picoseconde est un millionième de millionième de seconde.