Enterré sous la frontière franco-suisse près de Genève, le Grand collisionneur de hadrons (souvent appelé LHC pour « Large Hadron Collider ») du CERN est l’accélérateur de particules le plus puissant au monde. Logé dans un anneau de 27 kilomètres de circonférence, il guide les particules sous forme de faisceaux pour qu’elles se percutent à une vitesse proche de celle de la lumière, provoquant des collisions colossales qui ont atteint, au maximum, 13,6 TeV (téraélectronvolts), concentrées en un point minuscule. Depuis fin juin 2026, il est à l’arrêt pour une vaste modernisation, mais les milliards de collisions que ses détecteurs ont enregistrées peuvent toujours être analysées.
Des physiciens du monde entier l’exploitent pour mettre à l’épreuve le Modèle standard, la théorie qui décrit les particules élémentaires et leurs interactions. Une pierre angulaire de notre vision de la physique, formalisée dans les années 1970, qui trouve aujourd’hui ses limites. Des impasses théoriques qui ne trouveront issue qu’avec l’aide de la recherche expérimentale, menée sur plusieurs fronts, grâce au LHC, l’outil idéal pour explorer ce qui se cache au-delà du Modèle standard. Il est utilisé, entre autres, pour traquer les particules hypothétiques qui composeraient la matière noire, comprendre l’asymétrie entre la matière et l’antimatière et recréer les conditions qui régnaient quelques microsecondes après le Big Bang.
Après la découverte, il y a presque un an, du toponium, le 3 novembre 2026, la collaboration LHCb (Large Hadron Collider beauty), l’une des quatre grandes expériences internationales installées au LHC, a annoncé avoir surpris un événement que le Modèle standard ne prévoit qu’une fois sur dix milliards : la désintégration d’un méson Bd en une paire de muons. Les résultats de ses travaux, non encore relus par les pairs, ont été détaillés dans une prépublication déposée le 30 octobre sur la plateforme arXiv et soumise à la revue Physical Review X.
Le méson Bd : une particule statistiquement insaisissable
Afin de mieux comprendre pourquoi le phénomène relevé est rarissime, nous nous devons de plonger au cœur de la matière, dans l’infiniment petit. Les protons et les neutrons qui forment les atomes renferment chacun trois quarks, qui figurent, avec l’électron, parmi les constituants élémentaires de la matière ; il en existe six types, désignés en physique sous le terme de « saveurs » : up, down, étrange, charme, beauté et top. Chacun possède son double, un jumeau constitué d’antimatière : on l’appelle alors un antiquark, de même masse, mais de charge électrique opposée.
Lorsqu’un quark et un antiquark restent collés l’un à l’autre, ils forment une particule appelée méson, une particule composite instable, puisqu’elle ne peut exister sous cette forme qu’un très bref instant. Les mésons les plus durables vivent à peine quelques dizaines de milliardièmes de seconde avant de disparaître ; le méson Bd, celui qui nous intéresse ici, ne tient même qu’environ 1,5 millionième de millionième de seconde. Il est composé d’un quark beauté, l’un des plus lourds parmi les six types de quarks, et d’un antiquark down, bien plus léger.
Lorsqu’il disparaît, il laisse sa place à des particules entièrement nouvelles et plus légères, dont une partie de la masse d’origine s’est convertie en énergie de mouvement : c’est, en physique, le principe de la désintégration.
Toutes ses désintégrations se produisent sous l’effet de l’interaction faible : l’une des quatre forces fondamentales de la nature, la seule capable de changer un quark d’un type en un autre, et celle qui est responsable de la radioactivité bêta. Dans l’immense majorité des cas, son quark beauté se transforme ainsi en un quark charme, plus léger, et l’énergie libérée lors de la réaction donne naissance à d’autres particules, le plus souvent des mésons.
Il arrive cependant, une fois sur dix milliards, que celui-ci se disparaisse intégralement pour laisser sa place un muon et à son jumeau d’antimatière, l’antimuon, deux « cousins » de l’électron, environ deux cents fois plus lourds.
Pour disparaître de la sorte, le quark et l’antiquark qui composent le méson doivent s’annihiler, c’est-à-dire se détruire mutuellement en convertissant leur masse en énergie. Lorsqu’il doit donner naissance à une paire électriquement neutre comme celle-ci, ce phénomène ne se produit directement qu’entre une particule et son jumeau exact, comme un quark down et un antiquark down.
Or, un quark beauté et un antiquark down (ceux qui composent le méson Bd) ne peuvent pas s’annihilier ainsi : le premier doit d’abord se changer en quark down, ce que le Modèle standard ne permet pas en une seule étape. L’interaction faible est régie par une règle absolue : lorsqu’elle change le type d’un quark, elle change aussi sa charge électrique. Les quarks up, charme et top forment ainsi une première famille, les quarks down, étrange et beauté, une seconde : l’interaction faible fait toujours passer un quark de l’une à l’autre, jamais d’un membre à l’autre de la même famille.
Trier le vrai du faux dans le déluge de collisions du LHC
Le quark beauté et le quark down appartenant à la même famille, le processus passe alors par une boucle quantique : le quark beauté devient d’abord un quark top, qui devient ensuite un quark down. Les physiciens appellent cette interaction « Flavor-Changing Neutral Current » (« courant neutre à changement de saveur »), « neutre » signifiant, dans ce contexte, que la charge électrique reste identique au départ et à l’arrivée.
Le quark top, environ trente fois plus massif que le méson Bd, ne peut pas être produit réellement lors de cette désintégration. Il n’y intervient que sous forme virtuelle, c’est-à-dire comme une étape intermédiaire du processus, qui n’est jamais observée mais dont dépend la probabilité que la désintégration se produise. D’où cette probabilité absurdement faible d’une chance sur dix milliards : un méson Bd n’a que 0,00000001 % de chances de se désintégrer en deux muons.
« Les physiciens traquent cette désintégration depuis plus de quarante ans », rappelle Marco Santimaria, qui a codirigé l’analyse. Une traque qui a d’ailleurs connu un rebondissement il y a plus d’une dizaine d’années, en 2015, lors d’une analyse menée par les collaborations LHCb et CMS (« Compact Muon Solenoid »), une autre grande expérience installée sur le LHC. Les deux équipes avaient mis leurs données en commun et cru apercevoir le méson Bd se désintégrer en deux muons.
En réalité, il s’agissait d’un faux positif : les deux équipes avaient repéré un peu plus de paires de muons correspondant à la masse du méson Bd qu’attendu, sans que ce surplus soit dû à sa désintégration. D’autres processus en produisent en effet, en nombre variable, et le hasard peut faire qu’un échantillon en contienne davantage qu’un autre.
Si ces muons provenaient vraiment de sa désintégration, leur nombre aurait dû continuer à augmenter avec les collisions enregistrées les années suivantes. Ce ne fut pas le cas : avec les données recueillies jusqu’en 2018, le surplus a disparu.
La tâche est d’autant plus ardue que les collisions du LHC produisent une quantité colossale de particules, dont une multitude de muons sans aucun lien avec le méson Bd. Certaines désintégrations très courantes génèrent en outre des pions ou des kaons, d’autres particules composées de quarks, que le détecteur peut confondre avec des muons. « Il faut une précision extrême pour extraire ces muons d’un bruit de fond écrasant », souligne Santimaria.
Depuis, le détecteur LHCb a été modernisé et il a été exploité à plein régime entre 2024 et 2026 : il pouvait enregistrer les collisions cinq fois plus rapidement qu’au cours de la période 2010-2018, notamment grâce au remplacement de la quasi-totalité de ses sous-détecteurs. Les capteurs chargés de suivre le passage des particules, désormais placés à environ 5 millimètres du faisceau, reconstituaient avec plus de précision la trajectoire des muons : des évolutions qui ont permis à l’équipe de repérer les premiers signes de la transformation du méson Bd. Le nombre de désintégrations relevées correspond à celui que prédit le Modèle standard, ce qui écarte une partie des hypothèses de physique situées au-delà de celui-ci, regroupées sous le terme « nouvelle physique », notamment celles qui prévoient des particules encore inconnues pour expliquer, par exemple, la matière noire. Physicien à l’Université de Cambridge et coresponsable de l’analyse, Harry Cliff juge toutefois ce résultat sur le méson Bd « extrêmement enthousiasmant », car il ouvre « de nouvelles possibilités pour sonder au-delà de la portée directe du LHC ». Son regard est déjà tourné vers l’avenir : « La future mise à niveau de LHCb nous permettra d’observer bien davantage de ces désintégrations, ce qui nous offrira une sensibilité encore plus grande aux particules non découvertes. » Elle est prévue vers le milieu des années 2030, après la mise en service du Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (« High-Luminosity LHC »), qui, avec la mise à niveau de LHCb, pourrait multiplier par dix le rythme de collecte des données par le détecteur.
- Des scientifiques du CERN ont détecté une désintégration rare d’un méson Bd en deux muons, un événement statistiquement improbable avec une chance sur 10 milliards.
- Cette découverte, réalisée par l’expérience LHCb, pourrait remettre en question certaines théories du Modèle standard de la physique des particules.
- Les résultats ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur des phénomènes au-delà de notre compréhension actuelle de la matière et de l’énergie.
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