Search for rare charm decays at BESIII

L'univers est construit sur un ensemble de règles que les physiciens appellent le Modèle Standard. C'est une carte réussie de la manière dont la matière et l'énergie se comportent, pourtant elle laisse certaines des plus grandes questions sans réponse. Pourquoi y a-t-il plus de matière que d'antimatière ? Qu'est-ce que la matière noire qui maintient les galaxies ensemble ? Pour trouver les réponses, les scientifiques ne cherchent pas seulement de nouvelles particules lourdes ; ils cherchent aussi des fissures dans la carte existante. Ils traquent des processus si rares ou si interdits par les règles actuelles que la découverte d'un seul cas signalerait que quelque chose de nouveau est en train de se produire. L'un des endroits les plus prometteurs pour chercher ces fissures se trouve dans le monde des quarks charm. Ce sont des particules lourdes et instables qui se désintègrent rapidement, mais lorsqu'elles le font, elles peuvent révéler des violations subtiles de symétrie ou des changements inattendus de leur identité. En étudiant des milliards de ces désintégrations, les chercheurs peuvent tester les limites de notre compréhension et voir si l'univers se comporte exactement comme le prédit le Modèle Standard, ou s'il détient un secret qui nécessite une nouvelle théorie pour l'expliquer.

Au cœur de cette recherche se trouve l'expérience BESIII, un détecteur massif situé à Pékin, en Chine. Il est situé à l'intérieur d'un anneau de stockage où des faisceaux d'électrons et leurs contreparties antimatières, les positrons, entrent en collision. Ces collisions créent un environnement propre où de nouvelles particules naissent et se désintègrent immédiatement. Les chercheurs ont collecté une quantité énorme de données, incluant les plus grands échantillons au monde de particules spécifiques appelées charmonium, qui sont des états liés d'un quark charm et d'un anti-quark charm. Avec cet immense ensemble de données, l'équipe a réalisé un examen complet de plusieurs types de désintégrations rares, cherchant des signes de physique que le Modèle Standard dit ne pas devoir se produire, ou qui devraient se produire si rarement qu'ils sont effectivement invisibles.

Le premier domaine d'investigation concerne la désintégration faible du charmonium. Dans le Modèle Standard, ces particules sont censées se désintégrer via les forces fortes ou électromagnétiques, mais une chance infime, presque impossible, existe pour qu'elles se désintègrent via la force faible, qui est responsable de la radioactivité. Les chercheurs ont cherché des motifs spécifiques où une particule de charmonium se transforme en une paire d'autres particules, telles qu'un méson D neutre et un méson K star. Pour trouver ces événements rares, ils ont utilisé une technique ingénieuse : ils ont reconstruit l'un des produits de désintégration de manière à filtrer le bruit de fond écrasant des collisions de particules ordinaires. Après avoir analysé les données, ils n'ont trouvé aucune preuve de ces désintégrations faibles. Au lieu de cela, ils ont établi une nouvelle limite, beaucoup plus stricte, sur la fréquence à laquelle ces événements pourraient éventuellement se produire, repoussant la limite de ce qui est autorisé à un niveau d'un sur dix millions. Ce résultat ne prouve pas que la désintégration se produit, mais il écarte de nombreuses théories qui prédisaient qu'elle serait plus courante.

Ensuite, l'équipe a cherché des courants neutres changeant de saveur. Dans le langage de la physique des particules, cela décrit un processus où un quark change de type, ou « saveur », sans changer sa charge électrique. Le Modèle Standard permet cela, mais seulement par le biais de boucles indirectes complexes qui rendent le processus extrêmement rare. Les chercheurs ont examiné des désintégrations où une particule de charmonium se transforme en un méson D neutre et une paire de muons, ou un méson D neutre et un photon. Ils ont également examiné des désintégrations similaires impliquant des mésons D produits à un seuil d'énergie spécifique où ils sont créés par paires. En identifiant une particule de la paire, ils pouvaient étudier l'autre avec une grande précision. Aucun signal n'a été trouvé. Les limites fixées par ces recherches approchent désormais le niveau où le Modèle Standard prédit que ces événements devraient se produire, ce qui signifie que si une nouvelle physique se cache dans ces désintégrations, elle le fait de manière très subtile.

La recherche s'est également étendue à la violation de la saveur des leptons chargés. Bien que nous sachions que les neutrinos peuvent changer de saveur, le Modèle Standard prédit que des particules plus lourdes comme les électrons et les muons ne devraient jamais changer d'identité lors d'une désintégration. Trouver un électron se transformant en muon, ou vice versa, serait un signe clair de nouvelle physique. Les chercheurs ont cherché cela à plusieurs endroits : dans la désintégration d'une particule psi en un électron et un muon, et dans la désintégration de mésons êta en la même paire. Ils ont utilisé l'environnement propre du collisionneur pour distinguer ces événements rares du bruit de fond. Le résultat fut une absence totale de tels événements. Ils ont établi les limites les plus strictes à ce jour sur ces processus, écartant de fait de nombreux modèles qui prédisaient un taux plus élevé de changement de saveur. Ces résultats nuls imposent des contraintes fortes sur les forces théoriques qui pourraient causer une telle violation.

Enfin, l'équipe a étudié un principe fondamental de la nature appelé symétrie de Bose. Cette règle stipule que deux particules identiques de spin zéro, comme deux kaons neutres, ne peuvent pas exister dans un état qui violerait certaines propriétés de la mécanique quantique. Dans le cas spécifique de deux kaons neutres produits d'une désintégration de charmonium, le Modèle Standard prédit que l'événement devrait être interdit, à moins qu'une infime quantité de rupture de symétrie ne se produise. Les chercheurs ont cherché la production simultanée de deux kaons neutres. Ils n'ont trouvé aucun événement de ce type. Les limites qu'ils ont fixées sont si basses qu'elles tombent en dessous des prédictions de certaines théories proposées impliquant la gravité quantique et la violation de la localité, qui suggèrent que des particules intriquées pourraient se comporter de manières brisant ces règles. Cependant, les résultats restent au-dessus du niveau infime de violation attendu causé par les sources connues de rupture de symétrie au sein du Modèle Standard.

En résumé, la collaboration BESIII a utilisé les plus grands échantillons de particules de charme au monde pour mener les recherches les plus sensibles à ce jour sur les désintégrations rares et interdites. Ils n'ont trouvé aucune preuve de la nouvelle physique qu'ils traquaient. Au lieu de cela, ils ont resserré le cercle autour du Modèle Standard, montrant que la nature adhère à ses règles avec une précision remarquable. Bien qu'aucune nouvelle particule ou force n'ait été découverte, le travail est loin d'être terminé. L'expérience doit recevoir des mises à niveau qui augmenteront le nombre de collisions et amélioreront la capacité de suivi des particules. Avec plus de données et de meilleurs outils, la recherche des plus petites fissures dans la carte de la physique se poursuivra, portée par l'espoir qu'un jour, un seul événement rare révélera une vérité plus profonde sur l'univers.