Le modèle standard de la physique des particules peut être brisé

En tant que physicien travaillant au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Cern, l’une des questions les plus fréquentes qu’on me pose est « Quand allez-vous trouver quelque chose ? ». Résistant à la tentation de répondre sarcastiquement « Mis à part le boson de Higgs, qui a remporté le prix Nobel, et toute une série de nouvelles particules composites ? physique des particules au monde entier.

On parle souvent de progrès en termes de découverte de nouvelles particules, et c’est souvent le cas. L’étude d’une nouvelle particule très lourde nous aide à visualiser les processus physiques sous-jacents – souvent sans bruit de fond gênant. Cela permet d’expliquer facilement la valeur de la découverte au public et aux politiciens.

Récemment, cependant, une série de mesures précises de particules et de processus déjà connus et conformes aux normes des tourbières ont menacé de bouleverser la physique. Et avec le LHC qui s’apprête à fonctionner à une énergie et une intensité plus élevées que jamais auparavant, il est temps de commencer à discuter largement des implications.

En vérité, la physique des particules a toujours procédé de deux manières, dont les nouvelles particules en font partie. L’autre consiste à effectuer des mesures très précises qui testent les prédictions des théories et recherchent des écarts par rapport à ce qui est attendu.

Les premières preuves de la théorie de la relativité générale d’Einstein, par exemple, sont venues de la découverte de petites déviations dans les positions apparentes des étoiles et du mouvement de Mercure sur son orbite.

Trois conclusions clés

Les particules obéissent à une théorie contre-intuitive mais extrêmement réussie appelée mécanique quantique. Cette théorie montre que des particules beaucoup trop massives pour être fabriquées directement dans une collision en laboratoire peuvent encore influencer ce que font les autres particules (par ce qu’on appelle les « fluctuations quantiques »). Les mesures de ces effets sont cependant très complexes et beaucoup plus difficiles à expliquer au public.

Mais les résultats récents faisant allusion à une nouvelle physique inexpliquée au-delà du modèle standard sont de ce second type. Des études détaillées de l’expérience LHCb ont révélé qu’une particule connue sous le nom de quark de beauté (les quarks constituent les protons et les neutrons dans le noyau atomique) se « désintègre » (se désintègre) en un électron beaucoup plus souvent qu’en un muon – l’électron est plus lourd, mais sinon identique, frère. Selon le modèle standard, cela ne devrait pas se produire, laissant entendre que de nouvelles particules ou même des forces de la nature pourraient influencer le processus.

Expérience LHCb. Cern

Curieusement, cependant, les mesures de processus similaires impliquant des « quarks top » de l’expérience ATLAS au LHC montrent que cette désintégration se produit à des taux égaux pour les électrons et les muons.

Pendant ce temps, l’expérience Muon g-2 au Fermilab aux États-Unis a récemment effectué des études très précises sur la façon dont les muons « oscillent » lorsque leur « spin » (une propriété quantique) interagit avec les champs magnétiques environnants. Il a trouvé un écart faible mais significatif par rapport à certaines prédictions théoriques – suggérant à nouveau que des forces ou des particules inconnues pourraient être à l’œuvre.

Le dernier résultat surprenant est une mesure de la masse d’une particule fondamentale appelée le boson W , qui porte la force nucléaire faible qui régit la désintégration radioactive. Après de nombreuses années de collecte et d’analyse de données, l’expérience, également au Fermilab, suggère qu’il est nettement plus lourd que ne le prédit la théorie – déviant d’une quantité qui ne se produirait pas par hasard dans plus d’un million de millions d’expériences. Encore une fois, il se peut que des particules encore inconnues s’ajoutent à sa masse.

Fait intéressant, cependant, cela est également en désaccord avec certaines mesures de moindre précision du LHC (présentées dans cette étude et celle-ci ).

Le verdict

Bien que nous ne soyons pas absolument certains que ces effets nécessitent une nouvelle explication, il semble de plus en plus évident qu’une nouvelle physique est nécessaire.

Bien sûr, il y aura presque autant de nouveaux mécanismes proposés pour expliquer ces observations que de théoriciens. Beaucoup se tourneront vers diverses formes de « supersymétrie ». C’est l’idée qu’il y a deux fois plus de particules fondamentales dans le modèle standard qu’on ne le pensait, chaque particule ayant un « super partenaire ». Ceux-ci peuvent impliquer des bosons de Higgs supplémentaires (associés au champ qui donne leur masse aux particules fondamentales).

D’autres iront au-delà en invoquant des idées moins à la mode comme le « technicolor », qui impliquerait qu’il existe des forces supplémentaires de la nature (en plus de la gravité, de l’électromagnétisme et des forces nucléaires faibles et fortes), et pourrait signifier que le boson de Higgs est en fait un objet composite composé d’autres particules. Seules les expériences révéleront la vérité sur la question – ce qui est une bonne nouvelle pour les expérimentateurs.

Les équipes expérimentales à l’origine des nouvelles découvertes sont toutes très respectées et travaillent depuis longtemps sur les problèmes. Cela dit, ce n’est pas leur manquer de respect de constater que ces mesures sont extrêmement difficiles à faire. De plus, les prédictions du modèle standard nécessitent généralement des calculs où des approximations doivent être faites. Cela signifie que différents théoriciens peuvent prédire des masses et des taux de décroissance légèrement différents en fonction des hypothèses et du niveau d’approximation. Ainsi, il se peut que lorsque nous effectuons des calculs plus précis, certaines des nouvelles découvertes correspondent au modèle standard.

De même, il se peut que les chercheurs utilisent des interprétations subtilement différentes et trouvent ainsi des résultats incohérents. La comparaison de deux résultats expérimentaux nécessite de vérifier soigneusement que le même niveau d’approximation a été utilisé dans les deux cas.

Ce sont là deux exemples de sources d’« incertitudes systématiques », et si toutes les parties concernées s’efforcent de les quantifier, il peut y avoir des complications imprévues qui les sous-estiment ou les surestiment.

Rien de tout cela ne rend les résultats actuels moins intéressants ou importants. Ce que les résultats illustrent, c’est qu’il existe de multiples voies vers une compréhension plus approfondie de la nouvelle physique, et qu’elles doivent toutes être explorées.

Avec le redémarrage du LHC, il y a encore des chances que de nouvelles particules soient fabriquées par des processus plus rares ou trouvées cachées sous des arrière-plans que nous n’avons pas encore découverts.

Roger Jones

Professeur de physique, chef de département, Université de Lancaster