Un événement ultra-rare vient de se produire à l’accélérateur de particules du CERN

Les scientifiques du CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) ont récemment observé un phénomène d’une rareté extrême qui pourrait bouleverser notre compréhension actuelle de l’Univers. Ce phénomène, détecté lors d’une expérience dans l’accélérateur de particules du CERN, pourrait indiquer l’existence d’une nouvelle particule ou même une nouvelle physique, au-delà du modèle standard.

Le modèle standard

Le modèle standard de la physique des particules est l’une des théories les plus abouties pour décrire les forces fondamentales et les composants de l’Univers. Il a permis de nombreuses découvertes majeures, telles que celle du boson de Higgs. Cependant, bien que cette théorie ait fait ses preuves dans de nombreux domaines, elle laisse de nombreuses questions sans réponse. Parmi elles, on trouve l’énigme de la matière noire, une substance invisible qui compose une grande partie de l’Univers, ainsi que le déséquilibre entre la matière et l’antimatière. 

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Les physiciens du CERN cherchent depuis longtemps des extensions au modèle standard, espérant expliquer ces mystères non résolus. L’étude des processus extrêmement rares pourrait ouvrir la voie à de nouvelles découvertes. 

En 2020, le professeur Mark Thomson, président du Science and Technology Facilities Council, a expliqué l’importance de ces recherches : « Les mesures de processus ultra-rares sont une piste passionnante pour explorer ces possibilités, avec l’espoir de découvrir une nouvelle physique au-delà du modèle standard. »

Le kaon et sa désintégration rare

L’une des expériences clés menées par l’équipe du CERN est l’étude de la désintégration d’une particule appelée kaon. Les kaons, également connus sous le nom de mésons K, sont composés de quarks, qui sont eux-mêmes les constituants fondamentaux des protons et des neutrons. Contrairement à ces derniers, qui sont formés de trois quarks, les kaons sont des particules plus complexes. Un kaon chargé (K+), par exemple, est constitué d’un quark up et d’un antiquark strange.

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L’intérêt des chercheurs se concentre sur une désintégration très spécifique du kaon chargé : celle qui conduit à la formation d’un pion chargé et d’une paire de neutrinos et d’antineutrinos. Cette désintégration rare est prédite avec une grande précision par le modèle standard. En effet, selon les calculs, cette désintégration ne devrait se produire qu’une fois sur 10 milliards de désintégrations de kaons chargés (K+ → π+νṽ).

L’expérience NA62, menée au CERN, vise à détecter cet événement rare en provoquant des collisions de protons à haute intensité contre une cible fixe. Ces collisions génèrent des particules secondaires, dont certaines peuvent être détectées, mesurées et identifiées, même si les neutrinos, en raison de leur faible interaction avec la matière, sont déduits par la quantité d’énergie manquante.

Une découverte marquante

En 2020, les chercheurs avaient déjà annoncé la première détection de cette désintégration ultra-rare. Mais avec un nombre beaucoup plus important de collisions réalisées récemment, y compris à des niveaux d’énergie plus élevés, les scientifiques ont atteint une certitude de détection à 5 sigma. Ce niveau signifie qu’il n’y a que 0,00006 % de chances que l’observation soit due à un simple hasard statistique.

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La professeure Cristina Lazzeroni, spécialiste de physique des particules à l’université de Birmingham, a déclaré : « Avec cette mesure, K+ → π+νṽ devient la désintégration la plus rare établie au niveau de la découverte – le fameux 5 sigma. Cette analyse difficile est le fruit d’un excellent travail d’équipe, et je suis extrêmement fière de ce nouveau résultat. » Cependant, bien que cette découverte corresponde aux prédictions du modèle standard, un écart intrigant a été observé. En effet, cette désintégration semble se produire 50 % plus souvent que prévu, à un taux d’environ 13 sur 100 milliards. Cette divergence pourrait être due à l’existence de particules inconnues ou à une physique encore inexplorée.

Le professeur Giuseppe Ruggiero, de l’université de Florence, qui a également contribué à l’expérience NA62, a exprimé son enthousiasme pour ces résultats : « C’est l’aboutissement d’un long projet entamé il y a plus de dix ans. La recherche d’effets dans la nature qui ont des probabilités de se produire de l’ordre de 10⁻¹¹ est fascinante et stimulante. Après un travail rigoureux et minutieux, nous avons obtenu une récompense étonnante pour nos efforts. » Par ailleurs, pourquoi des physiciens ont-ils mis un furet dans un accélérateur de particules en 1971 ?