Une gare bruyante à l'heure de pointe. Des milliers de personnes se pressent, les voix se fondent en un bourdonnement. Et quelque part dans cette foule, deux personnes tentent de se serrer la main d'une manière particulière, à peine perceptible. Repérer une telle poignée de main est presque impossible. C'est exactement le défi auquel ont été confrontés les physiciens au Grand collisionneur de hadrons lorsqu'ils ont décidé de chercher de nouvelles particules dans la gamme de masses de 20 à 60 GeV (pour comparaison, la masse du proton est d'environ 1 GeV).
Auparavant, cette plage restait une « zone aveugle » : les signaux des particules légères se noient dans le bruit de fond, comme un murmure dans un concert de rock. Pour entendre ce murmure, les scientifiques ont construit un « appareil auditif » spécial – un algorithme qui extrait du chaos des données les traces des leptons tau. Le lepton tau est un lourd cousin de l'électron qui ne vit qu'un instant et se désintègre en une pluie d'autres particules. Capturer une telle pluie, surtout lorsque le lepton tau est né presque sans mouvement, relève de l'exploit.
La nouvelle approche a fonctionné : les physiciens ont non seulement entendu le murmure, mais ont aussi déchiffré les mots. Ils ont réussi à enregistrer la production de mésons upsilon, connus depuis longtemps, qui se désintègrent en une paire de leptons tau. Le signal était si net que sa signification par rapport au bruit de fond atteignait 5,8 sigma – c'est comme lancer une pièce et obtenir pile vingt fois de suite. En revanche, aucune nouvelle particule indésirable n'a été détectée dans cette gamme de masses.
L'absence de découverte est aussi un résultat. Elle délimite une frontière au-delà de laquelle aucune nouvelle particule ne peut se cacher : leur production suivie de la désintégration en deux leptons tau doit être plus rare que 40 à 400 événements pour cent milliards de collisions. Nous savons désormais où il ne faut pas chercher, et nous pouvons concentrer notre attention sur d'autres cachettes. Et la gare bruyante est devenue un peu plus claire – et ce n'est que le début.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2605.25103
An inclusive search is presented for spin-zero bosons decaying to $$\tau\tau$$ in a previously unexplored mass range between 20 and 60 GeV using proton-proton collision data at $$\sqrt{s}$$ = 13.6 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 61.9 fb$$^{-1}$$ recorded by CMS in 2022$$-$$2023. A high-rate trigger stream in combination with a novel low-momentum hadronic tau reconstruction algorithm have enabled a measurement of the $$\Upsilon$$(1S,2S,3S) $$\to$$ $$\tau^+\tau^-$$ process in the challenging environment of a hadron collider, with a 5.8$$\sigma$$ significance above background and production cross section of 3.5 $$\pm$$ 0.7 (stat) $$\pm$$ 0.7 (syst) nb for visible rapidity $$\lvert y_{\text{vis}}\rvert$$ $$\lt$$ 1.2 and visible transverse momentum $$p_\mathrm{T}^\text{vis}$$ $$\gt$$ 15 GeV. No significant excess above the standard model background is observed. Upper limits on the product of the spin-zero resonance production cross section and branching fraction to $$\tau\tau$$ are set at 95% confidence level between 40 and 400 pb.
Le lepton tau a été découvert en 1975 et a été le premier représentant de la troisième génération de particules, la plus lourde. Sa découverte fut si inattendue que le prix Nobel Isidor Isaac Rabi, apprenant l'existence du muon (une particule de la deuxième génération), s'était exclamé : « Qui a commandé ça ? » – et voilà qu'apparaissait aussi le tau.
Dans le roman « Le Problème à trois corps » de Liu Cixin, des extraterrestres utilisent des protons déployés dans l'espace pour brouiller les accélérateurs. Les vrais physiciens, eux, apprennent au contraire à extraire des collisions de protons des signaux de plus en plus subtils.