Nouvelle physique fondamentale ? Phénomènes inexplicables de l’expérience Large Hadron Collider

Un événement modèle LHCb complètement reconstruit. Les particules identifiées comme pions, kaons, etc. apparaissent dans différentes couleurs. Crédit : CERN, Collaboration LHCb

Les résultats annoncés par l’essai LHCb en CERN D’autres indices ont révélé des phénomènes qui ne peuvent être expliqués par notre théorie actuelle de la physique fondamentale.

En mars 2020, la même expérience a révélé que les particules brisaient l’un des principes de base du modèle standard – notre meilleure théorie des particules et des forces – indiquant la possibilité de nouvelles particules et forces fondamentales.

actuellement, Plus de mesures Par des physiciens du laboratoire Cavendish de Cambridge, ils ont trouvé des effets similaires, renforçant les arguments en faveur d’une nouvelle physique.

“Le fait que nous ayons vu le même effet que nos collègues ont vu en mars augmente certainement les chances que nous soyons vraiment sur le point de découvrir quelque chose de nouveau.” – Harry Falaise

Le modèle standard décrit toutes les particules connues qui composent l’univers et les forces qui interagissent avec elles. Il a réussi tous les tests expérimentaux jusqu’à présent, mais les physiciens savent qu’il doit être incomplet. Il n’inclut pas la force de gravité, et il ne peut pas expliquer comment la matière est produite pendant le Big BangIl ne contient pas une particule qui puisse expliquer la mystérieuse matière noire qui, selon l’astronomie, est cinq fois plus abondante que les choses qui composent le monde visible qui nous entoure.

En conséquence, les physiciens ont longtemps recherché des signes physiques au-delà du modèle standard qui pourraient nous aider à résoudre certains de ces mystères.

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L’un des meilleurs moyens de rechercher de nouvelles particules et forces est d’étudier des particules connues sous le nom de quarks de beauté. Ce sont d’étranges cousins ​​des quarks up et down qui composent leurs noyaux respectifs atome.

Les quarks de beauté n’existent pas en grand nombre dans le monde parce qu’ils ont une durée de vie incroyablement courte – ils ne vivent en moyenne qu’un billionième de seconde avant de se transformer ou de se désintégrer en d’autres particules. Cependant, des milliards de quarks de beauté sont produits chaque année par l’accélérateur de particules géant du CERN, le Large Hadron Collider, qui est enregistré par un détecteur spécialement conçu à cet effet appelé LHCb.

Grotte expérimentale LHCb au LHC- IP 8

Grotte expérimentale LHCb au LHC-IP 8. Crédit : CERN

La façon dont les quarks de beauté se désintègrent peut être affectée par la présence de forces ou de particules non découvertes. En mars, une équipe de physiciens de LHCb a publié des résultats montrant que les quarks de beauté se décomposaient moins souvent en particules appelées muons que leurs homologues plus légers, les électrons. Il est impossible d’expliquer cela dans le modèle standard, qui traite les électrons et les muons de manière identique, mis à part le fait que les électrons sont environ 200 fois plus légers que les muons. En conséquence, les quarks de beauté doivent se désintégrer en muons et en électrons à des taux égaux. Au lieu de cela, les physiciens de LHCb ont découvert que la désintégration du muon ne se produisait qu’environ 85 % plus souvent avec la désintégration des électrons.

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La différence entre le résultat de LHCb et le modèle standard était d’environ trois unités d’erreur expérimentale, ou “3 sigma” comme on l’appelle en physique des particules. Cela signifie qu’il n’y a qu’une chance sur mille que le résultat soit causé par le hasard statistique.

En supposant que le résultat soit correct, l’explication la plus probable est que la nouvelle force qui attire les électrons et les muons avec des forces différentes interfère avec la façon dont ces quarks de beauté se désintègrent. Cependant, pour déterminer si l’effet est réel, davantage de données sont nécessaires pour réduire l’erreur expérimentale. Ce n’est que lorsque le résultat atteint le seuil des “5 sigma”, lorsqu’il y a moins d’une chance sur un million qu’il soit dû au hasard, que les physiciens des particules commenceront à le considérer comme une véritable découverte.

“Le fait que nous ayons vu le même effet que nos collègues ont vu en mars augmente certainement les chances que nous soyons vraiment sur le point de découvrir quelque chose de nouveau”, a déclaré le Dr Harry Cliff du Laboratoire Cavendish. “C’est formidable de faire la lumière sur le mystère.”

Aujourd’hui calendrier Examinez deux nouveaux quarks de beauté en décomposition de la même famille de désintégration que celle utilisée dans le résultat de Mars. L’équipe a trouvé le même effet – la désintégration du muon ne se produisait qu’à environ 70 % lorsque l’électron se désintégrait. Cette fois, l’erreur est plus importante, ce qui signifie que l’écart est proche de “2 sigma”, ce qui signifie qu’il y a un peu plus de 2% de chances que cela soit le résultat d’un défaut statistique dans les données. Bien que la découverte ne soit pas concluante en soi, elle ajoute un soutien supplémentaire à une pile croissante de preuves que de nouvelles forces fondamentales attendent d’être découvertes.

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Le professeur Val Gibson a déclaré: “L’excitation monte au Grand collisionneur de hadrons alors que le détecteur LHCb amélioré est sur le point d’être opérationnel, et davantage de données sont collectées qui fourniront les statistiques nécessaires pour revendiquer ou réfuter une découverte majeure.” Laboratoire Cavendish.

Jacinthe Poulin

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