LHCb apporte des indices d’une désintégration rare de méson B après 42 ans de recherche

Un signal fugace parmi des milliards de désintégrations de particules

L’expérience LHCb du CERN a annoncé les premiers indices, obtenus par une expérience unique, d’une désintégration exceptionnellement rare d’un méson B neutre en deux muons, à partir de données de collision recueillies en 2024 et 2025. Combiné aux mesures antérieures, le signal atteint une signification statistique de 3,2 écarts-types, ce qui suffit à parler d’indices, mais reste en deçà du seuil requis par les physiciens pour annoncer une observation.

Le résultat, annoncé par la collaboration LHCb dans son communiqué du 3 novembre 2026, fait progresser une recherche entamée en 1984. Cette désintégration s’écrit B0 → μ+μ−, également notée Bd → μ+μ−. Elle transforme une particule contenant un quark bottom ou un antiquark bottom en un muon et son antiparticule.

Le Modèle standard, théorie qui décrit les particules élémentaires connues et leurs interactions, prévoit environ une désintégration de ce type pour 10 milliards de désintégrations de mésons B0. Cette rareté extraordinaire rend le processus utile : une particule encore inconnue pourrait modifier suffisamment sa probabilité pour qu’une expérience de précision le détecte.

LHCb a également présenté ses mesures les plus précises de la probabilité et de la durée de vie effective d’une désintégration apparentée, Bs0 → μ+μ−. Les deux séries de résultats sont conformes au Modèle standard. Ensemble, elles offrent aux chercheurs un moyen plus précis de tester les théories qui postulent l’existence de particules au-delà de celles déjà connues.

Qu’est-ce qui disparaît exactement ?

Les mésons B sont des particules à courte durée de vie composées d’un quark et d’un antiquark. Les mésons B0 et Bs0 appartiennent à la même famille, mais leur quark constitutif le plus léger diffère : l’un fait intervenir le quark down et l’autre le quark strange. Cette différence de composition modifie la fréquence à laquelle ils peuvent produire une paire de muons.

Le muon est une particule élémentaire semblable à l’électron, mais plus lourde. Les deux muons issus de ces désintégrations portent des charges électriques opposées. Les chercheurs recherchent leurs traces et utilisent les propriétés mesurées de ces particules pour reconstituer la masse de celle dont elles proviennent.

Le Modèle standard prévoit environ trois désintégrations Bs0 en muons par milliard de désintégrations, soit une fréquence près de 30 fois supérieure à celle du processus impliquant le B0. Ces probabilités, appelées rapports d’embranchement, indiquent la proportion de mésons d’un type donné qui suivent une voie de désintégration particulière. La plupart des mésons B se désintègrent autrement, et le signal recherché se retrouve noyé parmi un nombre bien plus important de particules.

Pourquoi parle-t-on d’indices ?

LHCb a obtenu une signification de trois écarts-types avec le seul échantillon de 2024 et 2025. L’ajout des données des périodes d’exploitation antérieures du Grand collisionneur de hadrons, les runs 1 et 2, a porté ce chiffre à 3,2.

La signification statistique mesure dans quelle mesure les données favorisent la présence d’un signal par rapport à une explication reposant uniquement sur le bruit de fond. Plus sa valeur est élevée, moins une fluctuation aléatoire du bruit de fond a de chances de produire un résultat au moins aussi marqué. Les physiciens des particules utilisent généralement trois écarts-types comme seuil pour parler d’indices et cinq pour annoncer une observation.

La formulation de la collaboration est délibérément précise : il s’agit des premiers indices, obtenus par une expérience unique, de la désintégration B0 → μ+μ−. Une analyse conjointe de LHCb et CMS avait déjà annoncé des indices en 2015, mais les analyses ultérieures n’ont pas confirmé cette première indication.

Cette nouvelle mesure fait repasser la recherche au-dessus du seuil des indices grâce à un nouvel ensemble de données. L’objectif statistique suivant est d’atteindre cinq écarts-types. LHCb n’a pas indiqué de date pour y parvenir.

Une recherche menée de 1984 à 2026

Plusieurs générations d’expériences se sont succédé dans la recherche de ces désintégrations rares. Le processus Bs0, plus fréquent, a atteint le seuil de l’observation en premier, ouvrant la voie à la recherche plus difficile du processus B0.

• 1984 : début de la recherche de B0 → μ+μ−.
• Novembre 2012 : LHCb annonce des indices de la désintégration Bs0 → μ+μ− à 3,5 écarts-types.
• Mai 2015 : une analyse combinée de LHCb et CMS observe la désintégration Bs0 à 6,2 écarts-types et annonce une première indication de la désintégration B0.
• Février 2017 : LHCb observe seul la désintégration Bs0 à 7,8 écarts-types.
• Les analyses ultérieures, fondées sur les données recueillies jusqu’en 2018, ne confirment pas l’indication antérieure concernant B0.
• 2024 et 2025 : LHCb recueille les nouvelles données utilisées dans la dernière analyse.
• 3 novembre 2026 : LHCb annonce des indices de la désintégration B0 à trois écarts-types dans le nouvel échantillon, et à 3,2 après combinaison avec les données des runs précédents.

Cette chronologie explique pourquoi les chercheurs distinguent avec soin les indices d’une observation. Un signal prometteur doit être confirmé par de nouvelles données ; les mesures ultérieures peuvent le renforcer ou le faire repasser sous le seuil retenu.

Comment le détecteur repère les paires de muons

Le détecteur LHCb modernisé recueille des données à un rythme environ cinq fois supérieur à celui atteint entre 2010 et 2018. Pour un processus qui ne se produit qu’une fois sur 10 milliards de désintégrations B0, enregistrer davantage de collisions exploitables est essentiel.

Le détecteur de vertex, appelé VELO, aide à déterminer où les particules ont été créées et où elles se sont désintégrées. Assemblé par l’université de Liverpool, il fonctionne à seulement cinq millimètres du faisceau du LHC. Sa grande précision de suivi permet aux chercheurs de localiser les points de désintégration de particules qui ne survivent qu’une fraction infime de seconde.

L’apprentissage automatique aide à distinguer les paires de muons prometteuses du bruit de fond, constitué des nombreux autres processus qui produisent des traces ou des combinaisons de particules similaires. Les chercheurs examinent ensuite la masse invariante de chaque paire, une quantité calculée à partir de l’énergie et de la quantité de mouvement des muons, qui permet d’identifier la masse de la particule mère.

La distribution des masses présente une contribution visible des désintégrations Bs0 et une contribution plus faible à la masse inférieure du B0. LHCb ajuste conjointement ces signaux et le bruit de fond pour estimer le nombre de désintégrations de chaque type.

La production de B0 présente un avantage appréciable. Selon LHCb, le collisionneur produit environ quatre mésons B0 pour chaque méson Bs0. Même si un B0 a une probabilité de se désintégrer en deux muons près de 30 fois plus faible, son abondance réduit à environ sept le facteur séparant le nombre attendu d’événements. Cette comparaison aide à comprendre comment un échantillon suffisamment important permet d’accéder au processus le plus rare.

Ce que le résultat révèle sur les particules inconnues

Le Modèle standard fournit des prédictions précises pour les probabilités des deux désintégrations. Les théories qui le prolongent peuvent modifier ces prédictions en introduisant des particules qui influencent le processus, même si elles ne sont pas produites directement sous forme d’objets visibles dans le détecteur.

LHCb cite parmi les exemples des bosons de Higgs supplémentaires, des bosons vecteurs Z′ et des leptoquarks. Il s’agit de particules postulées par différentes extensions de la théorie. Leur influence éventuelle fait des désintégrations rares un moyen de rechercher indirectement des phénomènes physiques à des énergies qui dépassent la portée directe d’une expérience de collision donnée.

La collaboration LHCb, qui exploite l’expérience et a mené l’analyse, a décrit ainsi les dernières mesures :

Les résultats annoncés aujourd’hui, conformes au Modèle standard, délimitent encore plus précisément la région des paramètres dans laquelle ces nouveaux modèles peuvent exister

Concrètement, les combinaisons de masses et de forces d’interaction des particules postulées qui restent compatibles avec l’expérience sont ainsi plus limitées. Dans l’analyse conjointe de LHCb des deux rapports d’embranchement, la prédiction du Modèle standard se situe dans la région de confiance à 68,27 %, qui exprime l’incertitude de la mesure.

Pourquoi la mesure d’une durée de vie apporte un test supplémentaire

LHCb a également mesuré la durée de vie effective des mésons Bs0 qui se désintègrent en paires de muons. En combinant les données des runs 1, 2 et 3, l’expérience a obtenu 1,60 ± 0,16 ± 0,01 picoseconde, un résultat conforme à la prédiction du Modèle standard.

Une picoseconde correspond à un billionième de seconde. La première incertitude exprime les limites statistiques de la mesure ; la seconde porte sur les effets systématiques liés à la manière dont elle est réalisée. L’incertitude statistique est nettement plus importante, ce qui montre l’intérêt de recueillir davantage de données.

La durée de vie effective décrit la répartition dans le temps des désintégrations de l’échantillon sélectionné de mésons Bs0. Certaines extensions possibles du Modèle standard peuvent laisser presque inchangée la probabilité totale de produire deux muons, tout en modifiant la répartition de ces désintégrations dans le temps. Mesurer à la fois leur fréquence et leur chronologie permet donc de tester davantage de scénarios qu’un simple décompte des désintégrations.

Le rapport des rapports d’embranchement des mésons B0 et Bs0 fournit une autre comparaison. Une théorie proposée doit rendre compte de la relation entre les deux processus, ainsi que de leurs fréquences respectives. Les derniers résultats de LHCb réunissent ces vérifications distinctes dans une même analyse.

La suite de l’exploration des plus petites échelles

LHCb a soumis les nouveaux résultats pour publication et les a présentés lors d’un séminaire du CERN qui inaugurait un atelier réunissant la collaboration et des physiciens théoriciens. La prochaine tâche expérimentale consiste à recueillir suffisamment de données supplémentaires pour faire progresser le signal B0 vers le seuil de l’observation et mesurer sa probabilité avec davantage de précision.

Une nouvelle mise à niveau de LHCb au milieu de la prochaine décennie pourrait multiplier encore par dix le rythme de collecte des données, selon la collaboration. Elle permettrait de mener des tests plus exigeants portant sur les deux désintégrations rares.

Le terme « zeptovers » désigne les distances extrêmement petites que les chercheurs espèrent explorer grâce à ces mesures de précision. Un zeptomètre correspond à un millième de milliardième de milliardième de mètre. Les désintégrations rares offrent une voie indirecte pour étudier des effets associés à de très petites distances et à de hautes énergies.

La matière noire et l’origine de l’excès de matière sur l’antimatière dans l’Univers restent des motivations plus générales pour rechercher des phénomènes au-delà du Modèle standard. Le résultat annoncé ici est plus circonscrit et concret : une désintégration rare prévue par la théorie existante a atteint le seuil des indices, tandis que son comportement mesuré permet aux chercheurs de resserrer les limites imposées aux théories alternatives.

Points clés

• LHCb annonce les premiers indices, obtenus par une expérience unique, de la désintégration B0 → μ+μ−, au terme d’une recherche entamée en 1984.
• Les données de 2024 et 2025 atteignent trois écarts-types ; la combinaison avec les runs précédents porte la signification à 3,2.
• Le Modèle standard prévoit environ une désintégration de ce type pour 10 milliards de désintégrations B0.
• Les nouvelles mesures des désintégrations sont conformes au Modèle standard et restreignent les possibilités concernant d’éventuelles particules supplémentaires.
• LHCb a mesuré la durée de vie effective de la désintégration apparentée Bs0 à 1,60 ± 0,16 ± 0,01 picoseconde.
• Le seuil de cinq écarts-types reste l’objectif pour observer la désintégration B0.