Le kaon est une particule de longue durée de vie à l'échelle du microcosme : il vit des milliardièmes de seconde avant de se désintégrer en particules plus légères. Dans l'expérience KOTO au Japon, on capture les variantes les plus rares de cette désintégration. L'une d'elles est celle où le kaon se transforme en deux pions neutres et une autre particule X, qui se désintègre immédiatement en deux photons (particules de lumière).
Le modèle standard – la meilleure carte actuelle du monde des particules élémentaires – ne prédit pas une telle particule X. Mais son existence est permise par des théories qui tentent d'expliquer pourquoi notre Univers contient tant de matière et presque pas d'antimatière. La particule X pourrait être de type axion – légère, presque insaisissable, comme un fantôme qui traverse les murs de matière ordinaire.
Les physiciens ont analysé les données collectées en 2021. Ils cherchaient des traces de X dans la gamme de masses de 160 à 220 MeV (soit environ 200 à 300 fois plus lourd que l'électron). Dans la région où le signal devrait apparaître, trois événements ont été trouvés. Deux d'entre eux se sont regroupés – comme s'ils indiquaient une masse d'environ 177 MeV. Mais trois événements, c'est trop peu pour revendiquer une découverte : un tel pic pourrait être une fluctuation aléatoire, un jeu de la statistique.
C'est pourquoi le résultat a été présenté sous forme de limites supérieures : la probabilité de désintégration du kaon avec production de X ne dépasse pas (1–20)×10⁻⁷ selon la masse de la particule. Cela signifie que sur un milliard de kaons désintégrés, il n'y a pas plus d'une à deux centaines de tels événements. En parallèle, on a cherché pour la première fois la désintégration du kaon en deux pions et deux photons sans particule intermédiaire – et aucun événement n'a été trouvé, établissant une limite de 1.69×10⁻⁶.
La prochaine étape est de collecter plus de données. Si la particule d'environ 177 MeV existe vraiment, elle se manifestera dans de nouvelles séries de désintégrations. Pour l'instant, cela ressemble à une trace dans le sable : peut-être a-t-elle été laissée par une bête inconnue, peut-être par le vent.
Le kaon neutre peut se transformer en son antiparticule et vice versa – ce phénomène est appelé oscillation. Grâce à lui, les physiciens ont prouvé pour la première fois que la symétrie entre matière et antimatière est violée dans les désintégrations de kaons.
Les axions et les particules similaires sont un motif favori de la science-fiction : dans le roman de Greg Egan « L'Échelle de Schild », ce sont précisément des particules exotiques qui permettent de voyager entre les mondes.