L'universalité des leptons est restaurée

Renato Quagliani, chercheur au LPHE-OS, a présenté une mesure très attendue de l'universalité des leptons réalisée par la collaboration LHCb [1,2] lors d'un séminaire du LHC au CERN [3] le mardi 20 décembre, apportant ainsi une conclusion éclatante à une énigme de longue date qui suscitait beaucoup de débats et d'excitation en physique des particules [4].

La mesure est conçue pour fournir une réponse ferme, à l'aide des données actuellement disponibles à LHCb, à un ensemble d'écarts par rapport aux prédictions de la théorie qui ont été signalés dans les mesures des désintégrations rares d'un méson B (contenant un quark de beauté, b) en un méson K^+(0*) et une paire d'électrons ou de muons. Dans le modèle standard de la physique des particules, ces taux de désintégration devraient être égaux en raison de la même intensité d'interaction de tous les leptons avec les porteurs de force, une propriété appelée universalité des leptons. En même temps, plusieurs mesures antérieures ont indiqué que les désintégrations en électrons pourraient être plus fréquentes que celles en muons. La violation de l'universalité des leptons impliquerait une physique au-delà du Modèle Standard, comme une nouvelle force fondamentale en plus des interactions connues, à savoir gravitationnelle, électromagnétique, faible et forte. C'est pourquoi il est de la plus haute importance d'obtenir de nouvelles mesures de ces désintégrations rares.

La nouvelle analyse est dirigée par Renato Quagliani et est réalisée en collaboration avec des scientifiques de nombreux instituts de la collaboration LHCb, à savoir le LPNHE à Paris, l'IJClab à Orsay, la RWTH Aachen, l'université de Dortmund, l'université de Birmingham, l'université de Tsinghua et l'EPFL. Elle est basée sur l'ensemble des données enregistrées par le détecteur LHCb et représente la première mesure simultanée de deux désintégrations différentes du méson B dans deux régimes cinématiques, fournissant au total quatre mesures de R_X, où R_X est le rapport entre les probabilités de désintégration du méson B en muons et en électrons. Cette approche globale permet de mieux comprendre les performances du détecteur LHCb et d'identifier une nouvelle source de bruit de fond dans le canal électronique imitant le signal du processus rare. Très rarement, il peut arriver qu'un hadron chargé, tel qu'un pion ou un kaon, soit identifié par erreur comme un électron dans le détecteur. Dans le cas où deux erreurs d'identification de ce type se produisent simultanément, les désintégrations entièrement hadroniques et très abondantes de mésons B peuvent ressembler à un processus rare avec des électrons, comme le montre la figure ci-dessus. Les scientifiques de l'EPFL Renato Quagliani et Lesya Shchutska (LPHE-LS) ont développé une méthode spécifique pour estimer précisément la contribution de tels processus à l'ensemble des données explorées. Après l'inclusion de la nouvelle composante du bruit de fond dans le modèle global, les rapports R_X s'avèrent compatibles avec les prédictions du Modèle Standard, à la précision que permet l'ensemble actuel de données fournies par LHCb.

Ce nouveau résultat apporte une réponse à l'une des anomalies de saveur de la physique des particules, observée en comparant les taux de désintégration du méson B en muons et en électrons. Cependant, d'autres observables, à savoir les distributions angulaires des muons dans ces désintégrations et leurs fractions d'embranchement différentielles, présentent encore des tensions avec les prédictions de la théorie au niveau d'environ 3 écarts-types. Par conséquent, des études plus détaillées de ces processus sont prévues à l'aide de l'ensemble de données plus important qui sera récolté par le détecteur LHCb après sa reconstruction majeure qui a été achevée cette année. Ces efforts devraient s'accompagner de développements sur le plan théorique afin de trouver des réponses aux énigmes restantes concernant le Modèle Standard.