Après 40 ans de recherche, le Cern entrouvre grâce à l'IA la porte du mystérieux « zeptoverse »

Les accélérateurs de particules, comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Cern, sont en quelque sorte des microscopes géants pouvant observer des phénomènes dans l'infiniment petit, avec une sorte de grossissement qui est d'autant plus important qu'on accélère des particules à de hautes énergies, à des vitesses proches de celle de la lumière.

En effet, selon les principes de la mécanique quantique et comme l'avait compris le prix Nobel de physique Louis de Broglie, les particules de matière, électrons ou protons par exemple, ont un aspect ondulatoire qui permet de les utiliser comme des ondes lumineuses.

En théorie, le LHC n'est pas assez puissant pour explorer directement ce que les physiciens appellent le « zeptoverse », un domaine correspondant à des échelles de distance de l'ordre du zeptomètre (10⁻²¹ mètre), soit environ cent fois plus petites que celles qu'atteint directement le LHC.

Avez-vous déjà entendu parler du zeptomètre ? Il s’agit d’un millième de milliardième de milliardième de mètre, soit une dimension des milliards de fois plus petite qu’un atome. Une équipe de physiciens dirigée par des chercheurs de Cambridge, travaillant au Cern, a détecté une désintégration extrêmement rare d’une particule subatomique appelée « quark beauté » ; un phénomène qui ne se produit que pour un quark beauté sur dix milliards. La manière dont ces minuscules particules se désintègrent pourrait nous aider à appréhender une nouvelle physique, susceptible d’exister à l’échelle du zeptomètre. Ce monde étrange, baptisé « zeptoverse », pourrait également receler les secrets de la matière noire, ou nous aider à comprendre comment la matière est apparue lors du Big Bang. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Cambridge University

Une désintégration rarissime pour explorer les secrets du vide quantique

Mais ils ont trouvé une astuce, comme on peut le voir dans un article en accès libre sur arXiv. Il y est question de la découverte des premiers indices, dans une seule expérience, d'une désintégration extraordinairement rare d'une particule contenant un quark beauté, l'un des six types de quarks connus dont certains constituent les protons et les neutrons.

Plus précisément, il s'agit d'une découverte faite avec le détecteur LHCb du LHC et qui concerne le méson B_d, constitué d'un quark beauté et d'un antiquark down. Dans des circonstances extrêmement rares, cette particule peut se désintégrer en un muon et un antimuon, d'autres particules élémentaires (jusqu'à nouvel ordre) que les quarks. Le phénomène ne survient qu'environ une fois sur dix milliards de désintégrations.

Découvrez une présentation de la collaboration LHCb au Cern dans cette vidéo. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © YouTube, Cern

Or, il se trouve que cette désintégration est particulièrement intéressante parce qu'elle indirectement sensible à l'existence d'une nouvelle physique avec de nouvelles particules massives (impossibles à produire directement dans les collisions du LHC) et qui apparaissent et disparaissent dans le vide quantique à l'échelle du zeptomètre.

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Cette nouvelle physique pourrait nous apprendre des choses sur la nature de la toujours mystérieuse matière noire, mais aussi pourquoi le monde existe, alors que la théorie du Modèle standard de la physique des particules prédit que les particules de matière auraient dû s'annihiler totalement avec les particules d'antimatière pendant le Big Bang (l'énigme de l'asymétrie entre matière et antimatière).

L'IA réussit là où les physiciens butaient depuis près de 40 ans

Un communiqué explique qu'une équipe internationale dirigée par Harry Cliff, de l'université de Cambridge, a analysé les données recueillies par LHCb entre 2011 et 2018, puis en 2024 et 2025 après la modernisation du détecteur. Mais pour atteindre leur but, les physiciens ont dû utiliser l'IA, en fait celle de l'apprentissage automatique (Machine learning, en anglais), pour distinguer les événements recherchés d'un immense bruit de fond.

Cela faisait presque 40 ans que les physiciens espéraient détecter la désintégration rare du méson B_d. Toutefois, les résultats obtenus ne sont qu'à une significativité statistique de 3,2 sigmas, comme disent les scientifiques dans leur jargon. Ce n'est donc pas une découverte solide, car restant inférieure aux 5 sigmas traditionnellement exigés en science pour pouvoir l'affirmer. C'est tout de même un indice encourageant.

En l'état, les mesures obtenues restent toutefois conformes aux prédictions du Modèle standard. Cela reste une avancée importante, car il démontre que LHCb est désormais capable d'étudier un processus extrêmement rare et de rechercher d'éventuelles déviations par rapport aux prédictions théoriques. De plus, une nouvelle modernisation du détecteur, prévue pour les années 2030, devrait multiplier considérablement le nombre d'événements analysés et donc faire monter la statistique, comme disent les chercheurs.

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