⚛️ high-energy experiments

Recent CLFV searches at Belle and Belle II

Cet article passe en revue les derniers résultats des expériences Belle et Belle II recherchant la violation du goût leptonique chargé (CLFV) dans les désintégrations de leptons $\tau$ , de mésons $B$ et de bottomonium, qui sont prédites par divers modèles de nouvelle physique pour se produire à des taux accessibles aux expériences actuelles malgré le fait qu'elles soient inobservables dans l'extension minimale du Modèle Standard avec des neutrinos massifs.

Auteurs originaux : Vindhyawasini Prasad (On behalf of the Belle II Collaboration)

Publié 2026-09-29

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Vindhyawasini Prasad (On behalf of the Belle II Collaboration)

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Dans l'univers des particules subatomiques, il existe un ensemble de règles connues sous le nom de Modèle Standard qui dicte la manière dont la matière se comporte. L'une de ces règles est une conservation stricte de la « saveur », une propriété qui distingue différents types de particules appelées leptons, tels que les électrons et les muons. Dans la version originale de cette théorie, ces particules ne sont pas autorisées à changer d'identité ; un électron ne peut pas simplement se transformer en muon, ni un muon disparaître pour réapparaître en tant qu'électron. Cette règle se tient car la théorie supposait initialement que les cousins de ces particules, les neutrinos, n'avaient pas de masse. Cependant, les scientifiques ont depuis découvert que les neutrinos possèdent une masse, ce qui signifie que l'univers n'est pas aussi rigide qu'on le pensait autrefois. Bien que cette découverte permette des changements de saveur infimes, presque impossibles à détecter, dans des conditions spécifiques, le Modèle Standard prédit que de tels changements devraient être si rares qu'ils ne seraient jamais observés au cours d'une vie humaine. Si les chercheurs pouvaient trouver une particule changeant de saveur à un taux que nous pouvons réellement mesurer, ce serait un signal clair que les règles actuelles sont incomplètes et qu'une nouvelle physique, encore non découverte, est à l'œuvre.

C'est précisément la question à laquelle une équipe de physiciens des collaborations Belle et Belle II s'est proposé de répondre. Opérant un collisionneur de particules massif au Japon, ils font s'entrechoquer des électrons et des positrons pour créer un flux de particules lourdes, incluant des leptons tau, des mésons B et des états de bottomonium. Ces collisions agissent comme une usine à haute vitesse, produisant des milliards de ces particules afin que les scientifiques puissent observer leur désintégration et rechercher les changements de saveur interdits. Les chercheurs ont analysé une vaste collection de données, représentant les plus grands échantillons de ce type jamais rassemblés, pour traquer des signes qu'un lepton tau ou un méson B aurait spontanément transformé en un autre type de lepton. Ils ont recherché des modes de désintégration spécifiques, tels qu'un tau se transformant en un muon et un flash de lumière, ou un méson B se divisant en un kaon et deux types différents de leptons. Ils ont également cherché des possibilités plus exotiques, comme un tau se désintégrant en un lepton et une particule invisible mystérieuse, ou des particules de bottomonium se brisant en paires dépareillées d'électrons et de muons.

Après avoir passé les données au crible à l'aide d'algorithmes informatiques sophistiqués conçus pour séparer le signal rare du bruit de fond écrasant, les chercheurs n'ont rien trouvé. Dans chaque canal examiné, le nombre d'événements observés correspondait exactement à ce qui serait attendu de la physique connue, sans qu'aucun signal supplémentaire n'apparaisse pour suggérer de nouvelles forces ou particules. Par exemple, lorsqu'ils ont cherché un lepton tau se transformant en un muon et un photon, ils ont observé dix-neuf événements, ce qui est cohérent avec les seize événements prédits par les processus de fond. De même, les recherches sur les taus se désintégrant en trois particules chargées, ou les mésons B se transformant en un kaon et une paire tau-muon, n'ont révélé aucune preuve de ces transformations interdites. L'équipe a calculé le taux maximal possible auquel ces événements pourraient se produire sans être détectés, établissant ainsi les limites les plus strictes jamais enregistrées sur la fréquence à laquelle ces changements de saveur pourraient se produire. Ces limites sont incroyablement petites, écartant de fait de nombreuses théories populaires qui prédisaient que ces désintégrations se produiraient assez fréquemment pour être visibles.

L'étude s'est également étendue à la famille des particules de bottomonium, qui sont des états liés d'un quark bottom et de son antiparticule. En examinant comment ces particules se désintègrent, l'équipe a cherché des signes de nouvelles interactions qui pourraient causer la division d'un état de bottomonium en un électron et un muon, ou un électron et un tau. Ils ont analysé la masse de recul des particules produites lors de ces désintégrations pour voir si une nouvelle particule se cachait dans les données. Une fois de plus, les résultats étaient nuls. Les données n'ont montré aucune déviation du Modèle Standard, ce qui signifie que si une nouvelle physique existe sous la forme de ces interactions spécifiques de changement de saveur, elle se produit à un taux bien inférieur à ce que les expériences actuelles peuvent détecter. Les chercheurs ont également utilisé ces résultats nuls pour contraindre les paramètres mathématiques décrivant une potentielle nouvelle physique, rétrécissant ainsi la fenêtre de possibilités pour les théories futures.

La portée de ce travail réside non pas dans ce qui a été trouvé, mais dans ce qui a été écarté. En repoussant les limites de sensibilité avec un ensemble de données aussi vaste, les collaborations Belle et Belle II ont démontré que l'univers est encore plus obéissant aux règles du Modèle Standard qu'on ne le soupçonnait auparavant. Bien que la découverte de la masse des neutrinos ait prouvé que la saveur leptonique n'est pas parfaitement conservée, ces résultats montrent que la violation ne se produit pas de la manière prédite par de nombreuses nouvelles théories. L'absence de signal est un résultat puissant ; elle indique aux théoriciens qu'ils doivent chercher ailleurs pour la prochaine grande percée dans la compréhension des lois fondamentales de la nature. À mesure que l'expérience Belle II continue de collecter des données, la recherche deviendra encore plus précise, mais pour l'instant, le silence des détecteurs témoigne de la robustesse de notre compréhension actuelle du monde subatomique.

Résumé technique : Recherches récentes sur la CLFV par Belle et Belle II

Problème et motivation
Dans le Modèle Standard (MS), la violation du goût des leptons chargés (CLFV) est strictement interdite en raison de l'absence de neutrinos massifs et de l'absence de neutrinos à droiture. Bien que les oscillations de neutrinos confirment que les neutrinos sont massifs et que le goût leptonique n'est pas conservé dans le secteur neutre, des extensions minimales du MS incorporant des neutrinos à droiture prédisent des processus de CLFV (par exemple, $\mu \to e\gamma$ ) avec des fractions de branchement aussi basses que $10^{-54}$ via le mécanisme de Glashow-Iliopoulos-Maiani (GIM). Ces taux sont bien au-delà de la portée expérimentale. À l'inverse, divers cadres au-delà du Modèle Standard (BSM) — incluant la supersymétrie, les modèles de leptoquarks et les scénarios de neutrinos lourds — prédisent des fractions de branchement de CLFV dans la plage de $10^{-10}$ à $10^{-7}$ . L'observation de la CLFV à des taux expérimentalement accessibles constituerait donc une preuve sans ambiguïté d'une nouvelle physique (NP).

Méthodologie et ensembles de données
Cette revue résume les recherches récentes sur la CLFV menées par les collaborations Belle et Belle II au collisionneur d'électrons et de positrons asymétrique SuperKEKB, opérant près de la résonance $\Upsilon(4S)$ . L'analyse utilise les plus grands échantillons de données collectés par ces expériences :

Belle : Environ $1 \text{ ab}^{-1}$ collectés entre 1999 et 2010.
Belle II : Plus de $900 \text{ fb}^{-1}$ accumulés à ce jour.

Les stratégies de recherche diffèrent selon la particule parente :

Décaisons du lepton $\tau$ : À l' $\Upsilon(4S)$ , des paires $e^+e^- \to \tau^+\tau^-$ sont produites avec des impulsions opposées. Les événements sont marqués par le $\tau$ du « côté tag » (reconstruit via des désintégrations hadroniques à 1 ou 3 prongs) pour inférer la cinématique du $\tau$ du « côté signal ». L'identification du signal repose sur des variables telles que la masse contrainte par le faisceau ( $M_{BC}$ ) et la différence d'énergie ( $\Delta E$ ). Des techniques multivariées avancées, spécifiquement les arbres de décision boostés (BDT), sont employées pour supprimer les bruits de fond (dominantement issus des désintégrations standards $\tau \to \ell\nu\bar{\nu}$ ) et améliorer l'efficacité du signal.
Décaisons du méson $B$ : Les paires $B\bar{B}$ sont produites à l' $\Upsilon(4S)$ . Un méson $B$ ( $B_{tag}$ ) est reconstruit en utilisant des modes hadroniques, sémi-leptoniques ou inclusifs. L'algorithme Full Event Interpretation (FEI), une approche multivariée, est utilisé pour atteindre une haute efficacité de marquage. Les traces restantes sont utilisées pour reconstruire la désintégration du côté signal.
Décaisons du Bottomonium : Les recherches impliquent les états $\Upsilon(2S)$ et $\Upsilon(1S)$ . Pour les études de $\Upsilon(1S)$ , l'échantillon est sélectionné en marquant la paire $\pi^+\pi^-$ issue de la transition $\Upsilon(2S) \to \pi^+\pi^-\Upsilon(1S)$ . Des modes de contrôle (par exemple, $\chi_{bJ} \to \gamma \Upsilon(1S) \to \gamma \ell^+\ell^-$ ) sont utilisés pour valider les procédures d'analyse et estimer les incertitudes systématiques.

Résultats clés
Aucun signal statistiquement significatif n'a été observé dans aucun des canaux de CLFV recherchés. Par conséquent, les collaborations ont établi de nouvelles ou de nouvelles limites supérieures au niveau de confiance (CL) de 90 % sur les fractions de branchement :

Décaisons du lepton $\tau$ :
- ALP invisible ( $\tau \to \ell \alpha$ ) : Limites mises à jour utilisant $800 \text{ fb}^{-1}$ de données Belle pour des masses d'ALP $0 < m_\alpha < 1,6 \text{ GeV}/c^2$ .
- $\tau \to \mu\gamma$ : En utilisant $428 \text{ fb}^{-1}$ de données Belle II et un classificateur BDT, la limite observée est $B(\tau \to \mu\gamma) < 9,5 \times 10^{-8}$ .
- $\tau \to \ell \ell' \ell''$ : Limites fixées pour divers modes à trois corps (par exemple, $\tau \to e^-e^+e^-$ , $\tau \to e^-e^+\mu^-$ ) en utilisant $428 \text{ fb}^{-1}$ de données Belle II. Les limites sont les plus strictes à ce jour pour la plupart des modes.
- $\tau \to \ell \eta$ : Limites mises à jour utilisant $427,9 \text{ fb}^{-1}$ de données Belle, fixant $B(\tau \to \mu\eta) < 4,23 \times 10^{-8}$ , la limite la plus stricte pour ce canal à ce jour.
Décaisons du méson $B$ :
- $B^0 \to K^0_S \tau^\pm \ell^\mp$ : En utilisant les données combinées de Belle ( $711 \text{ fb}^{-1}$ ) et Belle II ( $365 \text{ fb}^{-1}$ ), les premières limites expérimentales ont été établies pour ces modes (par exemple, $B(B^0 \to K^0_S \tau^+ \mu^-) < 1,1 \times 10^{-5}$ ).
- $B^0 \to K^{*0} \tau^\pm \ell^\mp$ : Des données combinées similaires ont produit les limites les plus strictes à ce jour pour les modes électroniques (par exemple, $B(B^0 \to K^{*0} \tau^+ e^-) < 2,9 \times 10^{-5}$ ).
Décaisons du Bottomonium :
- Décaisons de $\chi_{bJ}(1P)$ : Premières recherches de décaisons CLFV de $\chi_{b0,1,2}(1P)$ utilisant $158 \times 10^6$ événements $\Upsilon(2S)$ . Aucun signal n'a été trouvé pour $\chi_{bJ} \to \ell\ell'$ ou $\chi_{bJ} \to \ell\tau$ .
- Décaisons de $\Upsilon$ : Les premières limites expérimentales ont été rapportées pour les décaisons à deux corps $\Upsilon(1S) \to \ell\ell'$ et les décaisons à trois corps $\Upsilon(1S) \to \gamma \ell\ell'$ .

Signification et affirmations
L'article affirme que les grands échantillons de données collectés par Belle et Belle II ont été efficacement utilisés pour explorer la possibilité de la CLFV dans les décaisons de $\tau$ , $B$ et du bottomonium. La principale signification de ces résultats réside dans l'établissement des limites supérieures les plus strictes à ce jour pour de nombreux modes de désintégration, particulièrement pour $\tau \to \mu\eta$ , $B^0 \to K^0_S \tau \ell$ et les premières recherches de décaisons CLFV de $\chi_{bJ}$ . Ces résultats nuls contraignent les coefficients de Wilson des opérateurs effectifs (dipôle, quatre-fermions et interactions gluoniques) et restreignent l'espace des paramètres de divers modèles de Nouvelle Physique. L'auteur note que bien qu'aucune preuve de CLFV n'ait été trouvée, la sensibilité des expériences actuelles approche les prédictions de scénarios de NP favorables, et d'autres résultats sont attendus de l'accumulation de données de Belle II.

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