L’expérience du CERN rapporte les premières preuves d’un processus ultra-rare qui pourrait conduire à une nouvelle physique

L'expérience du CERN rapporte les premières preuves d'un processus ultra-rare qui pourrait conduire à une nouvelle physique

L'expérience du CERN rapporte les premières preuves d'un processus ultra-rare qui pourrait conduire à une nouvelle physique

L’expérience NA62 mesure 270 mètres de long et comprend un réservoir à vide de 120 mètres de long, illustré ici, abritant plusieurs des détecteurs de particules. (Remarque: l’axe de l’expérience est une ligne droite, la courbure du réservoir est un effet optique de la photo.) Crédit: CERN

Les scientifiques du CERN ont rendu compte de leurs premières preuves significatives d’un processus prédit par la théorie, ouvrant la voie à des recherches de preuves d’une nouvelle physique dans les processus de particules qui pourraient expliquer la matière noire et d’autres mystères de l’univers.


Aujourd’hui, la collaboration CERN NA62, qui est en partie financée par le Science and Technology Facilities Council (STFC) du Royaume-Uni et implique un certain nombre de scientifiques britanniques, a présenté à la conférence ICHEP 2020 à Prague les premières preuves expérimentales significatives de la désintégration ultra-rare de le kaon chargé en un pion chargé et deux neutrinos, (c’est-à-dire K+ → π+νν).

Le processus de désintégration est important dans la recherche de pointe en physique car il est très sensible aux écarts par rapport aux prévisions théoriques. Cela signifie que c’est l’une des choses les plus intéressantes à observer pour les physiciens à la recherche de preuves pour soutenir un modèle théorique alternatif en physique des particules.

Le professeur Mark Thomson, physicien des particules et président exécutif du STFC, a déclaré qu’il s’agissait d’un progrès passionnant car le résultat montre comment des mesures précises de ce processus pourraient conduire à une nouvelle physique, au-delà du modèle standard de physique des particules développé dans les années 1970:

« Le modèle standard décrit les forces fondamentales et les éléments constitutifs de l’univers. Il s’agit d’une théorie très réussie, mais il existe plusieurs mystères de l’univers que le modèle standard n’explique pas, comme la nature de la matière noire et les origines de la déséquilibre matière-antimatière dans l’univers.

«Les physiciens recherchent des extensions théoriques du modèle standard. Les mesures de processus ultra-rares offrent une avenue passionnante pour explorer ces possibilités, dans l’espoir de découvrir une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

Les participants britanniques à cette recherche proviennent des universités de Birmingham, Bristol, Glasgow et Lancaster, et ont été financés par STFC, qui fait partie de UK Research and Innovation, ainsi que par la Royal Society et le European Research Council (ERC).

L'expérience du CERN rapporte les premières preuves d'un processus ultra-rare qui pourrait conduire à une nouvelle physique

Développement historique des prédictions théoriques (zones rouges) et des limites expérimentales (triangles noirs). Il y a 3 mesures en bleu: la première provient d’une expérience aux États-Unis. Les deux suivants proviennent de NA62 avec des données antérieures et cette mesure. La précision accrue de la mesure du courant est clairement visible. Crédit: la collaboration NA62

L’expérience NA62 a été conçue et construite, avec une contribution importante du Royaume-Uni, spécifiquement pour la mesure de ces désintégrations de kaons ultra-rares, à partir de kaons produits par un faisceau de protons de haute intensité unique fourni par le complexe d’accélérateurs du CERN. Les kaons sont créés en entrant en collision des protons de haute énergie du super-synchrotron à protons (SPS) du CERN dans une cible de béryllium stationnaire. Cela crée un faisceau de particules secondaires qui contient et propage près d’un milliard de particules par seconde, dont environ 6% sont des kaons. L’objectif principal de NA62 est de mesurer précisément comment la particule de kaon chargée se désintègre en un pion et une paire neutrino – antineutrino. Le Royaume-Uni a un rôle de premier plan important dans le K+ → π+νν analyse de désintégration.

«Ce processus de désintégration du kaon est appelé le« canal d’or »en raison de la combinaison du fait qu’il est à la fois ultra-rare et parfaitement prédit dans le modèle standard. Il est très difficile à capturer et est très prometteur pour les scientifiques à la recherche d’une nouvelle physique», explique le professeur Cristina Lazzeroni, physicienne des particules à l’Université de Birmingham et porte-parole de NA62.

« C’est la première fois que nous avons pu obtenir des preuves expérimentales significatives de ce processus de désintégration. C’est un moment passionnant car c’est une étape fondamentale vers la capture de la mesure précise de la désintégration et l’identification d’éventuels écarts par rapport au modèle standard.

« En retour, cela nous permettra de trouver de nouvelles façons de comprendre notre univers. Les instruments et techniques développés dans l’expérience NA62 mèneront à la prochaine génération d’expériences de désintégration de kaon rares. »

Le nouveau résultat mesuré avec une précision de 30%, donne la mesure la plus précise à ce jour de ce processus. Le résultat est conforme aux attentes du modèle standard, mais laisse encore de la place à l’existence de nouvelles particules.

Davantage de données sont nécessaires pour parvenir à une conclusion définitive sur la présence ou non d’une nouvelle physique.

Le Dr Giuseppe Ruggiero, boursier du STFC Ernest Rutherford, de l’Université de Lancaster, est le principal analyste de cette mesure depuis 2016 et a contribué à la création de l’expérience. Il a dit:

L'expérience du CERN rapporte les premières preuves d'un processus ultra-rare qui pourrait conduire à une nouvelle physique

Les 17 événements de l’ensemble de données 2018 sont visibles à l’intérieur des cases rouges (les cases rouges ont été gardées aveugles pendant l’analyse et leur contenu n’a été révélé qu’à la dernière étape). Les autres points noirs en dehors des cases rouges sont principalement dus au fond, c’est-à-dire à d’autres processus. Crédit: la collaboration NA62

«L’analyse des données de l’expérience a posé un réel défi. Nous avons dû supprimer une énorme quantité de données indésirables, d’environ mille milliards de fois. Et nous avons dû le faire sans perdre le minuscule signal que nous voulions détecter. C’est beaucoup plus difficile que de trouver une aiguille dans un million de meules de foin! Nous avons utilisé une méthode appelée technique d’analyse à l’aveugle. Ainsi appelée, parce que l’analyse se fait sans regarder dans la région, ou « boîte aveugle », où le signal est censé être. « 

Le STFC a également financé deux bourses Ernest Rutherford, une à l’Université de Liverpool, puis à Lancaster, et une à l’Université de Birmingham. En outre, trois doctorants de l’Université de Birmingham ont reçu le soutien du STFC et un travaille actuellement en tant que chercheur postdoctoral sur le projet. Les cinq physiciens «en début de carrière» ont travaillé sur le projet.

Les données utilisées dans la recherche ont été recueillies entre 2016 et 2018 sur le site de Prevessin du CERN, en France, et la recherche implique plus de 200 scientifiques de 31 institutions. Une nouvelle période de prise de données débutera en 2021 et permettra à la collaboration NA62 d’apporter une réponse plus précise sur la question de la nouvelle physique.

Les résultats

Le nouveau résultat provient d’une analyse détaillée de l’ensemble de données NA62 complet collecté jusqu’à présent, correspondant à une exposition de 6 × 1012 kaon se désintègre. Parce que le processus mesuré est si rare, l’équipe a dû faire particulièrement attention à ne rien faire qui puisse biaiser le résultat. Pour cette raison, l’expérience a été réalisée comme une «analyse à l’aveugle», où les physiciens ne regardent initialement que le contexte pour vérifier que leur compréhension des différentes sources est correcte.

Seulement une fois qu’ils sont satisfaits de cela, ils regardent la région des données où le signal devrait être; c’est ce qu’on appelle une «analyse aveugle». Suite à une analyse à l’aveugle, dix-sept K+ → π+νν candidats sont observés dans le jeu de données principal collecté en 2018, révélant un excès significatif par rapport au fond attendu de seulement 5,3 événements.

Cet excès conduit à la première preuve de ce processus (avec une signification statistique supérieure au niveau des «trois sigma»). Le taux de décroissance, mesuré avec une précision de 30%, donne la mesure la plus précise à ce jour de ce processus. Le résultat est conforme aux attentes du modèle standard, mais laisse encore de la place pour de nouveaux effets physiques. Davantage de données sont nécessaires pour parvenir à une conclusion définitive sur la présence ou non d’une nouvelle physique.

La probabilité que ce processus se produise, appelée «ratio de branchement», pour le K ultra-rare+ → π+La désintégration νν est très petite et prédite dans le modèle standard de la physique des particules avec une précision élevée: (8,4 ± 1,0) × 10-11. Cela conduit à une sensibilité exceptionnelle aux phénomènes possibles au-delà de la description du modèle standard, faisant de cette désintégration un «mode d’or», c’est-à-dire l’une des observables les plus intéressantes à la frontière de la précision de la physique des particules. L’étude expérimentale est cependant extrêmement difficile en raison du taux minime, d’une paire de neutrinos à l’état final et d’énormes processus de fond potentiels. En raison de ses caractéristiques, l’expérience NA62 a une excellente sensibilité à une variété de désintégrations rares de kaon et de processus exotiques.

La collaboration NA62 se prépare à collecter un ensemble de données encore plus grand en 2021–24, lorsque le SPS du CERN redémarrera, prenant des données à une intensité de faisceau plus élevée avec une ligne de faisceau et une configuration de détecteur améliorées. La prochaine cible est une observation «cinq sigma» du K+ → π+νν décroissance, suivie d’une mesure du taux de décroissance avec une précision de 10%, fournissant ainsi un puissant test indépendant du modèle standard de physique des particules. L’horizon d’un nouveau programme de physique avec une sensibilité aux taux de décroissance bien inférieure à 10-11 niveau est maintenant en vue.

Pour l’avenir à plus long terme, un programme de faisceaux de kaon à haute intensité commence à prendre forme, avec des perspectives pour mesurer le K+ → π+νν décroît avec une précision de quelques%, pour traiter la décroissance analogue du kaon neutre, KL → π0νν, et pour atteindre des sensibilités extrêmes à une grande variété de désintégrations de kaon rares qui sont complémentaires aux investigations dans le secteur des quarks de beauté.


La désintégration ultra-rare du kaon pourrait conduire à des preuves d’une nouvelle physique


Citation: L’expérience du CERN rapporte les premières preuves d’un processus ultra-rare qui pourrait conduire à une nouvelle physique (28 juillet 2020) récupérée le 28 juillet 2020 sur https://phys.org/news/2020-07-cern-evidence-ultra-rare- physics.html

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