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Nouveau résultat intrigant de l’expérience LHCb au CERN

par Sophie Trincaz - 1er avril 2021

La collaboration LHCb, à laquelle participe une équipe du LPNHE, a rendu public à l’occasion des rencontres de Moriond des résultats laissant entrevoir une possible déviation d’une prédiction du modèle standard : l’universalité de la saveur leptonique. Selon cette prédiction, l’amplitude (et donc la probabilité) de désintégration de particules produisant des leptons chargés dans l’état final, est indépendante de la saveur de ces derniers (électron, muon ou tau) ; ceci après correction des différences d’espace des phases entre ces particules de masses différentes. L’étude de LHCb indique que certaines désintégrations impliquant un lepton chargé auraient des probabilités différentes de se produire selon qu’il s’agit d’un électron ou d’un muon. Le résultat demande cependant à être consolidé par des analyses et des prises de données complémentaires.

L’étude de LHCb concerne la mesure du rapport RK qui compare la désintégration d’un méson beau chargé en un kaon chargé et une paire d’électrons ou une paire de muons. Selon le nouveau résultat, la signification statistique de l’écart de ce rapport de l’unité est de 3,1 écarts types ; il y a une chance sur mille que les données soient compatibles avec les prédictions du modèle standard.


Comparaison entre les mesures de R(K) par les expériences BaBar, Belle et LHCb. ©LHCb

L’expérience LHCb est installée auprès du collisionneur proton-proton (LHC) du CERN. La nouvelle étude a exploité toute la statistique des données accumulées par l’expérience depuis 2010. Il a été obtenu grâce à l’amélioration de la compréhension de la réponse du détecteur pendant toutes ces années d’exploitation ainsi que le déploiement de nouvelles techniques d’analyse ; enfin le développement et l’étude de canaux de contrôle augmentent la robustesse de cette mesure par rapport aux précédentes publications.


Désintégration d’un méson B0 en K*0 et une paire électron-positon dans le détecteur LHCb, ce qui permet de sonder l’universalité leptonique dans le modèle standard. ©CERN

Au LPNHE, physicien(e)s, post-doctorant(e)s et doctorant(e)s du groupe LHCb ont participé activement aux test d’universalité leptonique de l’experience, depuis la publication en 2017 de la mesure de RK*, ainsi que à travers l’etude des performances de la reconstruction des electrons et des muons, et le perfectionnement des algorithmes de sélection des événements. Actuellement il est fortement impliqué dans la mise à jour de ces analyses avec toutes les données récoltées par l’experience jusqu’à 2018, et dans plusieurs regions de l’espace des phases, ce qui devrait permettre d’améliorer la precision de la mesure et d’éclaircir la situation.

L’annonce de la nouvelle mesure du rapport RK a été faite suite à d’autres indices de tension entre données expérimentales et prédiction du modèle standard, pourtant si souvent confirmé par le passé. Ces écarts laissent entrevoir l’influence sous-jacente, dans ces transformations de particules, de phénomènes physiques au-delà de ce modèle standard. De nombreux candidats sont en lice, tels que les lepto-quarks ou des modèles prédisant l’intervention de nouveaux bosons médiateurs dans ces transformations. La confrontation de ces théories avec de nouvelles mesures cumulant plus de statistique ou mettant en œuvre d’autres canaux de désintégration est tout l’enjeu de ces études. La refonte de l’expérience, pendant l’arrêt technique actuel de l’accélérateur, ainsi que l’augmentation du taux d’événements qui sera délivré lors de la remise en fonctionnement de ce dernier, au début de l’année 2022, permettra d’améliorer encore la solidité de ces mesures et peut être de changer le paradigme du monde des particules. Le groupe du LPNHE, impliqué dans la construction d’un nouveau détecteur de traces ainsi que dans un nouveau système de déclenchement de l’expérience, totalement logiciel, contribue à cet effort.

« Si une violation de l’universalité de la saveur des leptons devait être confirmée, cela impliquerait un nouveau processus physique, comme l’existence de nouvelles particules ou interactions fondamentales, explique le professeur Chris Parkes, de l’université de Manchester et porte-parole de LHCb au CERN. D’autres études sur des processus connexes sont en cours à l’aide des données LHCb existantes. Nous sommes impatients de voir si elles renforcent les indices intrigants des résultats actuels. »

Plus d’informations : https://arxiv.org/abs/2103.11769

Contact au laboratoire : Eli Ben-Haïm

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