Lors de la conférence BEACH 2024 (XV International Conference on Beauty, Charm, Hyperons in Hadronic Interactions) qui s’est tenue à Charleston, en Caroline du Sud (États-Unis), la collaboration LHCb a annoncé avoir observé une désintégration rare de l’hypéron Σ⁺→pμ⁺μ^-. Un hypéron est une particule contenant trois quarks (comme le proton et le neutron), parmi lesquels figurent un ou plusieurs quarks étranges.

Les désintégrations rares de particules connues constituent un outil intéressant pour la recherche d’une physique au-delà du Modèle standard de la physique des particules. Dans le Modèle standard, le processus Σ⁺→pμ⁺μ^- est uniquement possible sous la forme d’un « diagramme à boucle » : plutôt qu’une désintégration se produisant directement, des états intermédiaires doivent être échangés dans une « boucle » (diagrammes (a) et (b) ci-dessous).

Dans la théorie quantique des champs, la probabilité qu’ait lieu un processus de ce type est la somme des probabilités de toutes les particules possibles échangées dans cette boucle, aussi bien connues qu’inconnues. C’est ce qui rend ce processus sensible aux nouveaux phénomènes. Si un écart entre la mesure expérimentale et les calculs théoriques était observé, il pourrait s’expliquer par l’influence de particules inconnues. Celles-ci pourraient soit être échangées dans la boucle, soit produire directement cette désintégration, interagissant avec les quarks puis se désintégrant en une paire de muons. Dans le dernier cas (diagramme (c) ci-dessous), la nouvelle particule laisserait une empreinte observable dans les propriétés des deux muons.

Les études de la désintégration Σ⁺→pμ⁺μ^- étaient particulièrement prometteuses, car, en 2005, un indice de structure avait été observé par la collaboration HyperCP (E871) dans les propriétés de la paire de muons. Avec seulement trois événements, la structure était loin d’être concluante, et l’analyse de LHCb avait pour but d’apporter des éléments nouveaux.

En fin de compte, les données de LHCb ne montrent aucune structure en pic significative dans la région des masses du dimuon mise en lumière par HyperCP, contredisant par conséquent l’indice. La nouvelle analyse a cependant bien observé la désintégration avec une signification statistique élevée. L’étape suivante sera de procéder à des mesures précises de la probabilité de cette désintégration et d’autres paramètres, ouvrant la voie à d’autres recherches d’éventuels écarts avec les prédictions du Modèle standard.

Pour en savoir plus, lire les présentations données par l’expérience LHCb lors de la conférence BEACH, et la note de conférence (en anglais).