Le feu d'artifice éclate, et un point se disperse en quatre étincelles. C'est un peu ce que fait le boson Z — la particule qui porte l'interaction faible — lorsqu'il se désintègre en quatre leptons chargés (électrons ou muons). Le processus est extrêmement rare : sur un million de naissances de bosons Z, on n'observe qu'environ cinq événements de ce type.
Au Grand collisionneur de hadrons, dans le détecteur CMS, des protons sont entrés en collision à très haute vitesse, et parmi les débris, les physiciens ont cherché précisément ces « feux d'artifice à quatre leptons ». Au cours de deux campagnes de prise de données à des énergies de 8 et 13 TeV, ils ont accumulé des données correspondant à 19,7 et 138 femtobarns inverses (cette mesure indique le nombre total de collisions). En conséquence, la probabilité totale de désintégration Z → 4ℓ a été mesurée avec une précision de 3 % — [4,67 ± 0,11 (stat) ± 0,10 (syst)] × 10⁻⁶. Ils ont également calculé séparément les combinaisons : Z → 4μ, Z → 4e et Z → 2μ2e.
Le véritable enjeu n'était pas la probabilité elle-même. Les physiciens ont étudié comment les produits de désintégration se dispersent dans l'espace : angles, énergies, orientations mutuelles. Une attention particulière a été portée aux asymétries triples — des quantités qui changent de signe lors d'une réflexion miroir et lors du remplacement des particules par leurs antiparticules. Des écarts notables par rapport à zéro auraient indiqué une violation de l'invariance CP, l'un des principes fondamentaux du modèle standard. Les résultats ont été comparés aux prédictions théoriques et aucune divergence n'a été trouvée. En revanche, des limites ont été établies sur l'existence possible de nouvelles particules lourdes — par exemple, des bosons de jauge supplémentaires qui pourraient interférer avec cette désintégration.
Un tel feu d'artifice n'est pas seulement un spectacle magnifique. C'est un test extrêmement sensible pour la nouvelle physique : la moindre trace de forces inconnues modifierait le schéma de dispersion des particules. Pour l'instant, tout est propre, mais la précision des mesures s'est déjà rapprochée du niveau où les surprises tant attendues pourraient se manifester. Et alors, quatre étincelles nous révéleront ce que nous ignorons encore du monde.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2605.25158
Decays of Z bosons to four charged leptons (electrons and muons) are studied in proton-proton collisions at $$\sqrt{s}$$ = 8 and 13 TeV. The analysis is based on data collected with the CMS detector at the LHC corresponding to an integrated luminosity of 19.7 fb$$^{-1}$$ at 8 TeV and 138 fb$$^{-1}$$ at 13 TeV. The measured value of the inclusive branching fraction for all four-lepton decay modes, $$\mathcal{B}$$(Z $$\to$$ 4$$\ell$$), is [4.67 $$\pm$$ 0.11 (stat) $$\pm$$ 0.10 (syst)] $$\times$$ 10$$^{-6}$$, which has a precision of about 3% limited by both statistical and systematic uncertainties. Measurements of the individual branching fractions for the decays Z $$\to$$ 4$$\mu$$, Z $$\to$$ 4e, and Z $$\to$$ 2$$\mu$$2e are also reported. Differential decay rates are presented as functions of kinematic and angular quantities in the Z boson rest frame. Measurements of triple-product asymmetries, which are sensitive to possible violations of charge conjugation and parity invariance, are performed for Z $$\to$$ 4$$\ell$$ decays. The results are compared with standard model predictions and used to set limits on the production of new gauge bosons.
La probabilité de désintégration du boson Z en quatre leptons est environ cent fois plus faible qu'en deux leptons, et un million de fois plus faible qu'en hadrons (particules composées de quarks).