Les physiciens ont vu un événement subatomique qui ne se produit qu’une fois sur 10 milliards

Les physiciens de l’expérience LHCb, au CERN, ont obtenu les premiers indices solides de la désintégration d’une minuscule particule subatomique en deux muons. Un événement qui ne survient qu’une fois sur 10 milliards et qui aide à traquer d’éventuelles nouvelles particules, liées à la matière noire ou à l’origine de la matière après le Big Bang.

Le grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a beau être un tunnel immense de 27 kilomètres de long, ce qu’on y observe est infiniment petit. C’est le cas d’une particule subatomique dite « de beauté », composée d’un quark down et d’un antiquark « beauté » (aussi appelé bottom). La collaboration LHCb lui consacre une étude mise en ligne le 30 octobre sur le serveur arXiv et présentée au CERN le 3 novembre, qui doit encore être relue par d’autres chercheurs avant de paraître dans une revue scientifique.

Comme le détaille l’université de Cambridge, une équipe d’une vingtaine de physiciens britanniques, allemands, italiens, espagnols et néerlandais, menée par Harry Cliff, du laboratoire Cavendish de cette même université, a obtenu les premiers indices solides de la désintégration de cette particule en deux muons, un événement extrêmement rare qui ne se produit qu’une fois sur 10 milliards.

Mais de quoi s’agit-il exactement ? Lorsque cette particule nommée B_d (ou B0) se désintègre, ce qui se produit environ 1,5 millième de milliardième de seconde (1,5 picoseconde) après son apparition, l’antiquark beauté qu’elle contient se transforme le plus souvent en antiquark charmé, plus rarement en antiquark up. Ce sont des cousins plus légers, avec une charge électrique différente.

À la recherche de l’évènement ultra rare

Seulement, une fois sur 10 milliards, le Modèle standard de la physique des particules prévoit que Bd se désintègre différemment, par une voie très détournée qui rend ce scénario extrêmement rare. À la place, elle produit deux muons, µ+ et µ-, des cousins plus lourds de l’électron, de charges opposées. On nomme cette désintégration « B_d to mu mu ».

Depuis 1984, les physiciens cherchaient à mettre la main sur ce processus, car il peut trahir l’existence de nouvelles particules qui ne rentrent pas dans le Modèle standard.

Le raisonnement est le suivant : si cette désintégration survient plus ou moins souvent que ne le prévoit le Modèle standard, c’est que d’autres particules s’en mêlent : des particules hypothétiques, trop lourdes pour être produites directement par le LHC, mais dont l’influence se manifesterait dans cette fréquence.

La traque avait déjà avancé, notamment en 2015, lorsque les expériences CMS et LHCb, en combinant leurs données, avaient observé une désintégration similaire mais un peu moins rare (environ trois fois sur un milliard) : celle de la particule Bs, qui contient cette fois un quark étrange. Ces mêmes données livraient déjà un premier indice, encore fragile, de « Bd to mu mu », que les analyses suivantes n’ont pas confirmé.

Dans leur article publié par la revue Nature, les deux équipes misaient alors sur la reprise du LHC à plus haute énergie, qui devait à peu près doubler la production de ces particules et affiner les mesures.

Ce qu’a changé la mise à niveau de LHCb

La donne a changé avec une importante mise à niveau de LHCb, l’une des expériences installées sur l’anneau du LHC et conçue pour étudier les quarks beauté. Le détecteur a été en grande partie remplacé pendant l’arrêt technique du LHC, entre 2018 et 2022. Les données récoltées en 2024 et 2025, triées avec des outils d’apprentissage automatique pour écarter le bruit de fond, ont permis de faire ressortir cette désintégration. Le LHC peut analyser des structures qui ne dépassent pas une centaine de zeptomètres (un zeptomètre valant un trilliardième de mètre). En mesurant finement ces désintégrations, LHCb permet de sonder de façon indirecte des distances encore plus courtes.

À ce stade, malgré des concepts physiques un peu abscons, on a compris l’essentiel : détecter cette désintégration relève de l’exploit technique.

Mais à quoi ça sert ? Pour l’instant, le résultat colle aux prédictions du Modèle standard et ne trahit donc aucune particule inconnue. Chaque mesure plus précise de cette fréquence réduit pourtant l’espace où de nouvelles particules pourraient se cacher, et indique aux physiciens lesquelles chercher avec les futurs accélérateurs. Parmi les pistes figurent les particules qui composeraient la fameuse matière noire, ces particules encore insaisissables mais qui seraient omniprésentes autour de nous jusqu’à donner leur forme aux galaxies.

Ces particules encore inconnues pourraient aussi être la clé pour comprendre comment la matière ordinaire et la matière noire sont apparues lors du Big Bang et ont pu coexister jusqu’à nos jours.

Les physiciens devront patienter, car LHCb a enregistré fin juin 2026 les dernières collisions de protons de la campagne en cours, avant l’arrêt du LHC pour travaux. La suite se jouera, toujours au CERN, dans les décennies à venir. Une nouvelle mise à niveau de LHCb, prévue vers le milieu des années 2030, pourrait multiplier par dix environ le rythme de collecte des données, et le successeur du LHC est attendu dans la seconde moitié du siècle.

Toute l'actu tech en un clin d'œil

Ajoutez Numerama à votre écran d'accueil et restez connectés au futur !

Comprendre la matière et l'Univers avec la Physique

• Après des semaines de frustration chez les mathématiciens, la preuve secrète d’OpenAI sur l’un des grands problèmes de physique sort enfin
• Avion espion de la Nasa, changement des heures creuses EDF, preuve mathématique d’OpenAI imminente – le récap’ sciences de la semaine
• À bord de sa station spatiale, la Chine frôle le zéro absolu et bat un record du monde
• Sous pression des mathématiciens, les physiciens chargés de vérifier la preuve secrète d’OpenAI promettent une publication très bientôt