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Des cas rares de désintégration de particules appuient le modèle standard
A partir de données mesurées au détecteur CMS au CERN, des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer ont observé pour la première fois, avec une certitude suffisante, le cas rare de la désintégration du méson Bs en deux muons. Ils ont également déterminé sa fréquence. Leurs résultats coïncident avec les prédictions du modèle standard de la physique des particules.
L’analyse de cette désintégration convient particulièrement bien pour mettre à l’épreuve le modèle standard, et ce pour deux raisons : d’abord parce que la probabilité prédite par le modèle standard peut être calculée plutôt précisément. Ensuite parce que la désintégration est tellement rare, que des écarts mêmes infimes entre résultats de mesure et valeur calculée seraient clairement décelables. De tels écarts constitueraient un indice de
nouvelle physique, c’est-à-dire de phénomènes non décrits par le modèle standard. Jusqu’ici, le modèle standard décrit de manière très fiable l’univers des particules élémentaires connues, mais il n’explique pas, par exemple, la nature de la matière noire observée dans l’univers. De fait, les recherches de versions élargies ou complétées du modèle se poursuivent.
La rechercher de ces cas de désintégration rare du méson Bs est extrêmement complexe, car il existe des voies de désintégration bien plus fréquentes (seul un méson Bs sur 300'000'000 se désintègre de cette façon), dont les produits sont très similaires. Il faut donc être certain de réussir à les filtrer. Des chercheurs du PSI travaillent depuis 2005 sur ce sujet. Le PSI a également construit une pièce essentielle du détecteur CMS, qui décèle les particules résultant des désintégrations, et dont la qualité est déterminante pour celle des résultats de l’expérience.
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 Bs (voir encadré). Un méson Bs 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 Bs 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 Bs 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 Bs, 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 Bs, 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 Bs 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.
Le détecteur est installée au LHC (Large Hadron Collider ou Grand collisionneur de hadrons) du CERN, un accélérateur en anneau, où des paquets de protons tournent en sens opposés. A quatre emplacements de l’anneau, on les fait entrer en collision, et un certain nombre de ces protons (20 en moyenne par collision) se percutent frontalement. Les collisions des protons sont si violentes, qu’à chaque fois, elles produisent de nombreuses particules nouvelles, dont la plupart ont une durée de vie très courte et se désintègrent aussitôt en d’autres particules. Un détecteur est placé à chacun des quatre points de collision de l’accélérateur, et permet d’observer les particules qui se sont constituées. Ce détecteur est en fait composé de plusieurs sous-détecteurs imbriqués les uns dans les autres, comme des matriochkas (poupées russes). Les particules sont décelées lorsqu’elles traversent ces détecteurs. De puissants aimants situés à l’intérieur du détecteur dévient les particules chargées électriquement de leur trajectoire rectiligne. La courbe de cette trajectoire permet de déterminer l’impulsion, c’est-à-dire le produit de la masse et de la vitesse. Grâce aux informations réunies, il est possible d’établir le type de particules aperçues et les trajectoires qu’elles ont empruntées.
Les choses qui nous entourent sont constituées par les atomes de différents éléments chimiques. A leur tour, ces atomes sont constitués d’un noyau de neutrons et de protons, autour duquel gravitent des électrons. Les neutrons et les protons sont chacun constitué de trois quarks : le neutron de deux quarks d (down) et d’un quark u (up), et le proton d’un quark d et de deux quarks u. A côté de ces deux types de quarks, qui sont les composants de base des choses qui nous entourent, il existe encore quatre types de quarks lourds, mais ces derniers apparaissent uniquement dans des particules instables, qui se désintègrent rapidement. Pour chacun des six quarks, il existe un antiquark doté des mêmes propriétés, mais d’une charge électrique opposée. Les particules composites sont constituées de trois quarks, ou d’un quark et d’un antiquark. Ces dernières sont appelées mésons – les mésons Bs et B en sont des représentants. Le méson Bs est constitué d’un antiquark b (bottom) et d’un quark s (strange), alors que le méson B est constitué d’un antiquark b (bottom) et d’un quark d (down). Tout comme il existe des pendants lourds et instables aux quarks légers, il existe aussi deux versions de l’électron – dont le muon, 207 fois plus lourd, disponible en deux versions : l’une à charge électrique positive, l’autre à charge électrique négative.
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.