Search for new physics with charm data at BESIII

L'univers que nous voyons autour de nous est composé de matière, pourtant les lois de la physique qui régissent les plus petites particules suggèrent que le Big Bang aurait dû créer des quantités égales de matière et d'antimatière, qui se seraient mutuellement annihilées instantanément. Ce décalage est l'un des grands mystères non résolus de la science moderne, aux côtés du mystère de savoir pourquoi les neutrinos, ces particules fantômes qui traversent tout, possèdent une masse. Le Modèle Standard, notre meilleure carte actuelle du monde subatomique, décrit comment les particules interagissent mais ne peut expliquer ces lacunes. Pour trouver les pièces manquantes, les physiciens recherchent des événements rares où les règles semblent se briser, tels que des processus qui violent la conservation du nombre leptonique ou du nombre baryonique. Le nombre leptonique est un décompte de certaines particules légères comme les électrons, tandis que le nombre baryonique compte des particules plus lourdes comme les protons et les neutrons ; dans le Modèle Standard, ces décomptes sont strictement préservés. Si les scientifiques pouvaient surprendre une particule en train de faire quelque chose qui modifie ces décomptes, ou s'ils voyaient une particule se transformer en un type différent de lepton sans un neutrino pour équilibrer les comptes, ce serait un signe clair d'une nouvelle physique au-delà de notre compréhension actuelle.

Au Collisionneur Électron-Positron de Pékin, une machine qui fait entrer en collision des électrons et leurs contreparties antimatières, l'expérience BESIII a rassemblé une collection massive de données issues de collisions qui créent du charmonium, une particule lourde composée d'un quark charm et de son antiquark. Ce ensemble de données, contenant des milliards d'événements, agit comme un microscope de haute précision pour traquer ces transformations interdites. Les chercheurs se sont concentrés sur trois voies principales : chercher des signes que les neutrinos sont leurs propres antiparticules, rechercher des particules qui changent d'identité de manières interdites par le Modèle Standard, et vérifier si les particules lourdes de charmonium peuvent se désintégrer par des forces faibles de manières habituellement impossibles. En analysant ces milliards de collisions, l'équipe a été capable d'établir les limites les plus strictes à ce jour sur la fréquence à laquelle ces événements étranges pourraient se produire, rétrécissant ainsi efficacement l'espace de recherche pour de nouvelles théories.

Dans la traque de la violation du nombre leptonique, l'équipe a recherché un processus où une particule lourde appelée baryon cascade se désintègre en un baryon sigma plus léger et deux électrons, une réaction qui impliquerait que le neutrino est une particle de Majorana, signifiant qu'il est sa propre antiparticule. Utilisant une technique qui reconstruit l'événement des deux côtés de la collision pour garantir l'exactitude, ils ont examiné plus de dix milliards de collisions. Ils n'ont trouvé aucune preuve de cette désintégration. Au lieu de trouver un signal, ils ont calculé que si cette désintégration se produit, elle doit se produire moins de deux fois pour cent mille tentatives. Ils ont étendu cette recherche à d'autres particules, y compris des mésons comme l'êta et l'oméga, cherchant des désintégrations similaires où une particule neutre se transforme en deux pions et deux électrons. Là encore, aucun signal n'est apparu, et les chercheurs ont établi que ces désintégrations sont encore plus rares, se produisant moins de quelques fois par million de tentatives pour les mésons plus légers et moins de deux fois par milliard pour les plus lourds.

La recherche s'est également tournée vers la violation du nombre baryonique, plus précisément en observant un phénomène où un baryon lambda se transforme spontanément en son jumeau antimatière, un anti-lambda, et inversement. Cette oscillation briserait la règle selon laquelle la matière et l'antimatière sont distinctes et conservées séparément. L'équipe a analysé le même ensemble massif de collisions pour trouver des événements suggérant qu'une telle inversion avait eu lieu. Ils ont trouvé zéro instance de ce phénomène. Sur la base de l'absence de signal, ils ont déterminé que si cette oscillation a lieu, elle doit se produire moins d'une fois par million de tentatives. Ce résultat établit une limite plus stricte sur la vitesse à laquelle une telle transformation pourrait se produire, poussant le temps minimum requis pour l'inversion à être supérieur à trois dixièmes de microseconde, une échelle de temps incroyablement rapide mais qui reste bien au-delà de ce que le Modèle Standard autorise.

L'expérience a également étudié la violation de la saveur leptonique chargée, un processus où une particule lourde se désintègre en deux types différents de leptons chargés, tels qu'un électron et un muon, sans les partenaires neutrinos habituels. Dans le Modèle Standard, un électron et un muon sont des familles distinctes qui ne se mélangent pas de cette manière. Les chercheurs ont cherché ce mélange dans la désintégration de la particule psi(3686) et dans les désintégrations des mésons êta et êta-prime. Dans le cas du psi(3686), ils ont observé un petit nombre d'événements candidats, mais ce nombre était cohérent avec ce qui serait attendu d'un bruit de fond aléatoire plutôt que d'un signal véritable. Pour les mésons êta et êta-prime, les données n'ont montré aucun excès d'événements. Par conséquent, l'équipe a conclu que ces désintégrations changeant la saveur sont extrêmement rares, se produisant moins d'une fois tous les dix millions à dix milliards de tentatives, selon la particule spécifique. Ces limites sont nettement plus serrées que les mesures précédentes, éliminant de nombreux modèles théoriques qui prédisaient que ces désintégrations seraient plus fréquentes.

Enfin, l'équipe a cherché des désintégrations faibles du charmonium impliquant un changement de saveur du quark charm, un processus fortement supprimé dans le Modèle Standard mais qui pourrait être accentué par une nouvelle physique. Ils ont recherché des désintégrations où la particule de charmonium se transforme en un méson D et d'autres particules, ou bien où elle émet un photon ou une paire de muons. À travers tous les canaux examinés, de ceux impliquant un méson D et un méson rho à ceux impliquant un méson D et un électron, aucun signal significatif n'a été trouvé. Les chercheurs ont fixé des limites supérieures sur la fréquence de ces désintégrations, trouvant qu'elles se produisent moins de quelques fois pour dix millions à dix milliards de tentatives. Ces résultats fournissent une carte complète de l'endroit où la nouvelle physique ne se cache pas, forçant les théoriciens à affiner leurs modèles pour s'adapter à ces contraintes de plus en plus strictes.

Le travail réalisé par la collaboration BESIII ne révèle pas une nouvelle particule ou une loi de la nature brisée, mais il accomplit quelque chose d'également important pour la science : il trace une frontière plus nette autour de ce qui est possible. En utilisant les plus grands échantillons de données de charm au monde, l'équipe a montré que l'univers est encore plus obéissant au Modèle Standard qu'on ne le pensait auparavant, du moins dans ces canaux spécifiques. L'absence de signaux est un résultat puissant, car elle élimine une large gamme de possibilités théoriques et guide la recherche future vers les rares recoins où une nouvelle physique pourrait encore attendre d'être découverte. À mesure que davantage de données seront collectées, ces limites continueront de se resserrer, soit en révélant une fissure dans le modèle actuel, soit en poussant la recherche de la nouvelle physique vers des frontières encore plus extrêmes.