Le monde du minuscule adolescent, le royaume quantique, pourrait avoir une saveur préférée.
Bien sûr, nous ne parlons pas de cornet de glace à la mode. Le monde des particules est divisé en trois camps, appelés «saveurs» (ne demandez pas pourquoi). Par exemple, les électrons représentent une saveur, et il y a deux autres particules aux propriétés presque identiques, le muon et le tau, qui ont leurs propres saveurs. Nous soupçonnons depuis longtemps - mais ce n'est pas prouvé - que les trois saveurs devraient être sur un pied d'égalité.
Mais, hélas, des années d'expériences de collisionneurs commencent à suggérer que tout n'est peut-être pas encore homogène.
Les résultats de ces expériences sont encore provisoires et pas suffisamment significatifs pour prétendre à la découverte ferme d'une fissure dans la Bible de la physique des particules appelée modèle standard. Cependant, si les résultats se maintiennent, cela pourrait ouvrir la porte à tout comprendre, de la matière noire aux origines de l'univers. Vous savez, des problèmes majeurs non résolus en physique moderne.
Saveurs standard
Le modèle standard de la physique des particules règne en maître, réussissant avec succès des tests effectués dans le monde entier au cours des décennies. Cette théorie unifie notre compréhension de trois des quatre forces fondamentales de l'univers - l'électromagnétisme, le nucléaire fort et le nucléaire faible - sous une seule bannière quantique. Tout compte fait, c'est la théorie la plus éprouvée de toute la science, capable d'expliquer une vaste gamme d'interactions fondamentales.
En d'autres termes, vous ne jouez tout simplement pas avec le modèle standard.
Et pourtant, nous savons que cette image du monde subatomique est loin d'être parfaite. Pour ne citer que quelques exemples, cela n'explique pas les masses de neutrinos ou ne nous donne aucun indice sur la matière noire. L'écrasante majorité des physiciens pense qu'il existe une autre théorie, jusqu'ici inconnue, qui englobe tout ce que le modèle standard est capable d'expliquer et les choses qu'il ne peut pas.
Ce qui est décevant, c'est que nous ne savons pas à quoi ressemble cette théorie ni quelles prédictions elle pourrait faire. Donc, non seulement nous ne connaissons pas les réponses complètes à la vie, à l'univers et à tout ce qui se trouve entre les deux, mais nous ne savons pas non plus comment obtenir ces réponses.
Pour trouver des indices sur "Une meilleure théorie", les chercheurs sont à la recherche d'imperfections ou de fausses prédictions du modèle standard - une fissure dans cette théorie pourrait peut-être ouvrir la porte à quelque chose de plus grand.
L'une des nombreuses prédictions du modèle standard concerne la nature des leptons, qui sont de minuscules particules solitaires comme les électrons ou les quarks. Les leptons sont regroupés en trois classes, appelées générations ou les saveurs selon le physicien que vous demandez. Les particules de saveurs différentes partageront toutes les mêmes propriétés, sauf qu'elles ont des masses différentes. Par exemple, l'électron, le muon et la particule tau ont tous la même charge électrique et le même spin, mais le muon l'emporte sur l'électron, et le tau encore plus - ils ont des saveurs différentes.
Selon le modèle standard, ces trois saveurs de l'électron devraient se comporter exactement de la même manière. Les interactions fondamentales devraient produire chacune d'elles avec une probabilité égale; la nature ne peut tout simplement pas faire la différence entre eux, elle ne favorise donc pas vraiment une saveur plutôt qu'une autre.
En ce qui concerne les trois saveurs, la nature adopte l'approche napolitaine: toutes.
Un beau résultat
C'est toute la théorie, cependant, et elle devrait donc être testée. Au fil des ans, diverses expériences, comme celles menées dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN et l'installation BaBar, dans lesquelles des particules fondamentales se brisent ensemble lors de collisions massives. Les particules résultant de ces collisions pourraient fournir des indices sur le fonctionnement de la nature au plus profond des niveaux. Et certaines de ces collisions ont été conçues pour voir si la nature aime une saveur de lepton par rapport aux autres.
En particulier, un type de particule, appelé le quark bottom, aime vraiment se désintégrer en leptons. Parfois, cela devient un électron. Parfois un muon. Parfois un tau. Quoi qu'il en soit, les trois saveurs ont toutes les mêmes chances de sortir de l'épave.
Les physiciens ont réussi à amasser des centaines de millions de ces désintégrations de quarks de fond et, il y a quelques années, quelque chose d'étrange est apparu dans les données: la nature semblait favoriser les particules de tau dans ces interactions un peu plus que les autres leptons. Il était à peine statistiquement significatif, cependant, il a donc été facile d'écarter ces résultats comme un simple hasard statistique; peut-être que nous n'avions tout simplement pas exécuté suffisamment de collisions pour que tout soit égalisé.
Mais au fil des années, le résultat est resté, comme le souligne le physicien Antonio Pich, de l'Université de Valence en Espagne, dans une revue de cette recherche publiée dans la base de données de préimpression arXiv en novembre. La nature semble assez têtue en ce qui concerne son favoritisme apparent de la particule tau. Le résultat n'est toujours pas concluant, mais sa persistance au fil des ans et à travers différentes expériences a fait un vrai gratte-tête.
Modèle pas si standard
Dans le modèle standard, les différentes saveurs des leptons obtiennent leur… eh bien, la saveur… grâce à leurs interactions avec le boson de Higgs: plus une saveur interagit avec les Higgs, plus sa masse est grande. Mais sinon, la nature ne les différencie pas, d'où la prédiction que toutes les saveurs devraient apparaître de manière égale dans toutes les interactions.
Mais si ces soi-disant "anomalies de saveur" sont en effet une véritable caractéristique de notre univers et pas seulement un bug dans la collecte de données, alors nous avons besoin d'un moyen d'expliquer pourquoi la nature devrait se soucier davantage de la particule tau que de l'électron ou du muon. Une possibilité est qu'il pourrait y avoir plus d'un type de boson de Higgs volant autour - un pour fournir les masses de l'électron et du muon, et un autre qui aime particulièrement le tau, lui permettant de sortir plus souvent des interactions.
Une autre possibilité est qu'il existe des particules supplémentaires qui parlent aux tau - particules que nous n'avons pas encore vues dans les expériences. Ou peut-être y a-t-il une symétrie fondamentale de la nature qui ne se révèle qu'à travers les murmures des réactions leptoniques - en d'autres termes, une nouvelle force de la nature qui n'apparaît que dans ces interactions obscures et rares.
Jusqu'à ce que nous établissions les preuves (en ce moment, la signification statistique de cette différence est d'environ 3-sigma, ce qui représente une probabilité de 99,3% que ce résultat ne soit qu'un coup de chance, alors que "l'étalon or" pour la physique des particules est le 5-sigma, ou 99,97%), nous ne pouvons pas être sûrs. Mais si les preuves se resserrent, nous pourrions potentiellement utiliser cette nouvelle idée pour trouver de nouvelles physiques au-delà du modèle standard, ouvrant la possibilité d'expliquer l'inexplicable actuellement, comme la physique de l'univers très précoce ou tout ce qui se passe. avec de la matière noire.
