ATLAS apaise les tensions avec le Modèle standard

Jul 29, 2020
Des scientifiques de la collaboration ATLAS expliquent leur nouvelle mesure de « l'universalité de la saveur leptonique », une propriété unique du Modèle standard de la physique des particules. (Video: CERN)

L'électron, la particule la plus connue de la famille des leptons, est un constituant clé de la matière et est essentiel à notre compréhension de l'électricité. Mais l'électron n'est pas un enfant unique. Il a deux frères plus lourds, le muon et le lepton tau ; ensemble, ils constituent les trois saveurs leptoniques. Selon le Modèle standard de la physique des particules, les trois frères se différencierait uniquement par leur masse : le muon est environ 200 fois plus lourd que l'électron, tandis que le lepton tau est environ 17 fois plus lourd que le muon. L'une des caractéristiques notables du Modèle standard est que chaque saveur est tout autant susceptible d'interagir avec un boson W ; cela découle du principe dit d’« 'universalité de la saveur des leptons ». L'universalité de la saveur des leptons a déjà été étudiée avec une grande précision avec différents processus et gammes d'énergie.

Dans une nouvelle étude, décrite dans un article publié récemment sur le site arXiv et présentée pour la première fois lors de la conférence LHCP 2020, la collaboration ATLAS fournit une mesure précise de l'universalité de la saveur des leptons, obtenue avec une toute nouvelle technique.

Les physiciens d'ATLAS ont étudié les événements de collision au cours desquels des paires de quarks top se désintègrent d’abord en paires de bosons W, et ensuite en leptons. « Le LHC est une usine à quarks top. Il a produit 100 millions de paires de quarks top pendant la deuxième période d'exploitation, explique Klaus Moenig, coordinateur pour la physique d’ATLAS. Cela nous a permis d'obtenir un vaste échantillonnage, non biaisé, de bosons W qui se sont désintégrés en muons et en leptons tau, ce qui était essentiel pour cette mesure de haute précision. »

Les physiciens ont ensuite mesuré la probabilité relative que le lepton issu d'une désintégration du boson W soit un muon ou un lepton tau, un rapport connu comme le rapport R(τ/μ). Selon le Modèle standard, cette probabilité devrait être identique, étant donné que la force d'interaction avec un boson W devrait être la même pour un lepton tau et un muon. Mais des tensions avec le Modèle standard existent depuis les années 1990, lorsque des expériences menées auprès du Grand collisionneur électron-positon (LEP) ont abouti à une mesure combinée du rapport R(τ/μ) de 1,070 ± 0,026, s'écartant des prévisions du Modèle standard de 2,7 écarts-types.

Selon le nouveau résultat d’ATLAS, R(τ/μ) est égal à 0,992 ± 0,013. Il s'agit de la mesure la plus précise du rapport réalisée à ce jour, avec une incertitude moitié moins importante que celle de la mesure combinée obtenue par les expériences du LEP. Elle est conforme aux prévisions du Modèle standard et suggère que l'écart de la mesure obtenue précédemment au LEP serait dû à une fluctuation.

« Le LHC est une machine conçue pour découvrir le boson de Higgs et la nouvelle physique lourde, explique Karl Jakobs, porte-parole d'ATLAS. Mais ce résultat montre une fois de plus que l'expérience ATLAS est également capable d'effectuer des mesures de haute précision. Notre capacité à effectuer ce type de mesures de précision ne pourra que s'améliorer à mesure que nous collecterons plus de données au cours de la troisième période d'exploitation et au-delà. »

Bien que le principe de l'universalité de la saveur des leptons ait passé avec succès ce nouveau test, il continuera d'être étudié tant que persisteront des interrogations sur les anomalies des désintégrations des mésons B enregistrées par l'expérience LHCb.

Pour en savoir plus, rendez-vous sur les site web de l'expérience ATLAS ou lisez cet article du Courier.


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