Search for the rare decay
En utilisant un échantillon d'environ 10 milliards d'événements collectés par le détecteur BESIII, les chercheurs ont recherché la désintégration rare , n'ont trouvé aucun signal significatif, et ont établi une nouvelle limite supérieure sur sa fraction de branchement de au niveau de confiance de 90 %, améliorant ainsi les limites précédentes d'un facteur de plus de quatre.
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Dans le monde subatomique, les particules ne sont pas seulement de minuscules blocs de construction ; elles sont aussi les messagères des règles les plus fondamentales de l'univers. Parmi ces règles figurent les symétries — des motifs cachés qui dictent la manière dont les particules se comportent et se transforment. L'une de ces règles est la conjugaison de la charge, ou symétrie C, qui demande essentiellement : si vous échangiez chaque particule d'une réaction avec son jumeau d'antimatière, les lois de la physique sembleraient-elles exactement les mêmes ? Pour la plupart des processus quotidiens, la réponse est oui. Cependant, les physiciens soupçonnent depuis longtemps que la nature pourrait occasionnellement briser cette règle de manière très spécifique et rare. Trouver une telle rupture serait une découverte monumentale, suggérant une nouvelle physique au-delà de notre compréhension actuelle de l'univers.
Deux particules, l'êta et l'êta prime, sont au cœur de cette investigation. Elles sont neutres, ce qui signifie qu'elles ne portent aucune charge électrique, et elles sont composées d'un mélange de quarks, les constituants fondamentaux de la matière. En raison de leur composition unique et des lois de conservation strictes qui les régissent, ces particules sont censées se désintégrer de manières très prévisibles. Si elles se désintégraient en trois photons — des particules de lumière — au lieu de leurs deux photons habituels, cela signalerait une violation de la symétrie C. Un tel événement est si improbable selon nos théories actuelles que le trouver reviendrait à repérer un grain de sable spécifique parmi une vaste plage, pourtant c'est précisément ce type de recherche de l'aiguille dans une botte de foin qui anime la physique des particules moderne.
Une équipe de chercheurs de la collaboration BESIII a franchi une étape majeure dans cette recherche. Utilisant un gigantesque détecteur de particules situé à l'Institut de Physique des Hautes Énergies à Pékin, ils ont analysé un ensemble colossal de données contenant plus de dix milliards de collisions d'électrons et de positrons. Ces collisions, se produisant dans une installation appelée BEPCII, produisent une pluie de particules, incluant le méson J/psi. Les chercheurs se sont concentrés sur une chaîne d'événements spécifique : un méson J/psi se désintégrant en un photon et une particule êta prime, suivie de cette particule êta prime se désintégrant en trois photons. Pour repérer cet événement rare, l'équipe a dû passer au crible une montagne de données, à la recherche d'une signature très précise : un sursaut d'énergie provenant de trois éclats de lumière distincts, sans autre particule chargée présente dans le mélange final.
Le défi était immense. Le détecteur, un cylindre complexe rempli d'instruments sensibles, enregistre les dépôts d'énergie des particules qui le traversent. L'équipe a dû filtrer des milliards d'événements de fond qui pourraient imiter leur signal, comme les cas où une particule se désintègre en deux photons et qu'un troisième photon sans rapport est détecté à proximité. Ils ont utilisé des simulations informatiques sophistiquées pour comprendre comment leur détecteur réagirait à la fois au signal qu'ils traquent et au bruit qui l'obscurcirait. En appliquant des filtres stricts sur le temps et l'énergie des éclats de lumière, et en vérifiant que la masse combinée des trois photons correspondait à la masse connue de la particule êta prime, ils ont réduit le champ à un nombre gérable de candidats.
Après avoir mené leur analyse, les chercheurs n'ont trouvé aucune preuve de la désintégration rare qu'ils cherchaient. Les données n'ont montré aucun pic significatif dans le nombre d'événements à trois photons qui puisse être attribué à la rupture des règles par l'êta prime. Au contraire, les résultats étaient cohérents avec des fluctuations aléatoires du bruit de fond. Cette absence de signal est, en soi, un résultat puissant. Elle a permis à l'équipe d'établir une nouvelle limite, bien plus stricte, sur la fréquence à laquelle cette désintégration interdite pourrait éventuellement se produire. Ils ont déterminé que si la désintégration a lieu, elle se produit moins de 2,25 fois pour chaque 100 000 particules êta prime produites. Cette nouvelle limite supérieure est plus de quatre fois plus stricte que la meilleure mesure précédente, repoussant ainsi les frontières de ce qui est possible dans le monde subatomique.
Les implications de ce résultat nul sont significatives pour la quête plus large de compréhension de l'univers. En excluant la désintégration à ce niveau de sensibilité, l'étude impose des contraintes sévères aux théories qui prédisent de nouvelles sources de violation de symétrie. Si une nouvelle physique existe permettant à l'êta prime de se diviser en trois photons, elle doit être encore plus insaisissable qu'on ne le pensait auparavant. Le travail des chercheurs témoigne de la puissance de la patience et de la précision en science ; en observant dix milliards d'événements et en ne trouvant rien, ils ont réussi à lever une couche d'incertitude, nous rapprochant d'une image complète du fonctionnement des forces fondamentales de la nature.
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