CERN : l’expérience LHCb tient la trace d’une désintégration ultra-rare cherchée depuis quarante ans

C’est l’un des phénomènes les plus rares jamais repérés au Grand collisionneur de hadrons (LHC). L’expérience LHCb du CERN, près de Genève, a annoncé début novembre avoir obtenu les premiers indices solides d’une désintégration qui ne se produit qu’une fois sur environ dix milliards. Les physiciens la cherchaient depuis 1984.

Une particule « beauté » qui se change en deux muons

Au LHC, les collisions de protons produisent en grand nombre des particules dites « beauté », qui contiennent un quark b. Elles ne vivent qu’environ 1,5 millième de milliardième de seconde avant de se désintégrer en d’autres particules. LHCb s’est intéressée à l’une de ces voies de désintégration, extrêmement rare : la transformation d’un méson B0, formé d’un quark b et d’un antiquark d, en une paire de muons, des cousins plus lourds de l’électron.

Selon le modèle standard, la théorie qui décrit les particules élémentaires et leurs interactions, cette désintégration ne concerne qu’environ une particule beauté sur dix milliards. Sa cousine, la désintégration du méson Bs en deux muons, est environ trente fois plus fréquente, avec environ trois cas par milliard. Celle-ci a été observée pour la première fois en 2015 par une analyse commune de LHCb et de l’expérience CMS, publiée dans la revue Nature, qui donnait aussi de premiers indices pour le B0. Les analyses suivantes, jusqu’en 2018, n’avaient pas pu les confirmer.

3,2 écarts-types : des indices, pas encore une découverte

Avec les seules données enregistrées en 2024 et 2025, le signal atteint une significativité statistique de 3,0 écarts-types, ou sigmas. Combiné aux données de 2011 à 2018, il monte à 3,2. En physique des particules, on parle d’« indices » à partir de 3 sigmas et de découverte à partir de 5 sigmas, ce qui correspond à une probabilité d’environ une sur 3,5 millions que le signal soit dû au hasard.

La même analyse a fourni les mesures les plus précises à ce jour de la désintégration du méson Bs en deux muons. L’ensemble de ces résultats est conforme aux prédictions du modèle standard.

Un détecteur modernisé et l’apprentissage automatique

Le résultat doit beaucoup à la modernisation de LHCb, achevée avant la reprise de la prise de données en 2024 : le détecteur peut désormais enregistrer les collisions à un rythme jusqu’à cinq fois plus élevé qu’entre 2010 et 2018. Pour isoler une poignée d’événements au milieu d’un bruit de fond écrasant, l’équipe de 19 scientifiques a eu recours à des techniques d’apprentissage automatique. Selon Marco Santimaria, qui a codirigé l’analyse, il faut une précision extrême pour distinguer ces muons du bruit de fond.

Le physicien Harry Cliff, de l’université de Cambridge, autre responsable de l’analyse, souligne que l’observation de cette désintégration ouvre de nouvelles possibilités pour sonder des phénomènes hors de portée directe du LHC.

Pourquoi traquer des événements aussi rares

Ces désintégrations ultra-rares sont très sensibles à d’éventuelles particules encore inconnues : si elles existaient, elles pourraient modifier légèrement la fréquence de ces processus par rapport aux prédictions. Mesurer cette fréquence avec précision permet donc de tester le modèle standard au-delà des énergies que le LHC peut atteindre directement. Pour l’instant, aucun écart n’apparaît.

La suite passe par davantage de données. Le LHC à haute luminosité doit entrer en service en 2030, et une nouvelle modernisation de LHCb est prévue dans les années 2030. La France participe à l’expérience, notamment par l’intermédiaire de laboratoires du CNRS.