Alors que va commencer la troisième période d'exploitation du LHC, les expériences du CERN publient encore de nouveaux résultats s’appuyant sur les données des périodes d'exploitation précédentes. Bien qu'aucune nouvelle découverte n'ait été annoncée, de petits écarts par rapport aux attentes sont apparus au sein de quelques analyses. À leur niveau actuel, ils peuvent être attribués à des fluctuations aléatoires, mais ils indiquent les régions à explorer lorsque le nouveau flux de collisions arrivera. En voici quelques exemples, récemment publiés par la collaboration CMS.
En 2017, CMS a enregistré un événement spectaculaire contenant quatre jets de particules à l'état final. La masse invariante de l'ensemble des quatre jets était de 8 TeV et les jets pouvaient être divisés en deux paires, chacune ayant une masse invariante de 1,9 TeV. Une telle configuration peut survenir si une nouvelle particule dotée d'une masse de 8 TeV est produite lors de la collision des faisceaux de protons avant de se désintégrer en une paire de particules – nouvelles également – dotées d'une masse de 1,9 TeV. Dans une analyse récemment publiée par CMS, une recherche pour de telles paires jumelles de jets dotées de masses invariantes identiques est menée à l'aide des données collectées jusqu'à la fin de la deuxième période d'exploitation du LHC. Or, les équipes ont détecté un second événement affichant des propriétés aussi spécifiques, avec une masse à quatre jets de 8,6 TeV et des masses à deux jets de 2,15 TeV. Ces deux événements apparaissent clairement sur le graphique ci-dessous ; les événements à quatre jets y sont représentés comme une fonction de la masse des événements à deux et quatre jets.
Nombre d'événements observés (échelle de couleurs), représenté comme une fonction de la masse des quatre jets et de la masse moyenne des deux dijets. Les deux points en haut à droite correspondent aux deux événements remarquables. (Image : CMS).
Bien que presque tous les événements observés avec deux paires de jets soient produits par des interactions fortes entre les photons collisionnés, des événements avec des masses invariantes aussi élevées sont extrêmement rares. La probabilité de voir deux événements présentant de telles masses sans qu'aucun phénomène nouveau n’intervienne est de l'ordre de 1 sur 20 000, avec une signification locale de 3.9 σ. Au premier abord cela semble être un signal très fort . Cependant, étant donné que la gamme des masses analysée est large, il est important de regarder aussi la signification globale, qui indique la probabilité d'observer un excédent n'importe où dans la région analysée. Pour ces deux événements, la signification globale est de seulement 1,6 σ.
Deux autres études portant sur la recherche de nouvelles particules lourdes ont signalé de petits excédents repérés dans les données. Dans une étude portant sur la recherche de résonances de masse élevée se désintégrant en une paire de bosons W (se désintégrant ensuite en leptons), l’écart le plus grand correspond à un signal à une masse de 650 GeV, avec une signification locale de 3,8 σ et une signification globale de 2,6 σ. Dans le cadre d'une recherche de particules lourdes se désintégrant en une paire de bosons (WW, WZ, ou autres combinaisons, incluant notamment des bosons de Higgs), les données divergent des attentes en deux endroits. L'hypothèse correspondant au signal est un boson W' de masse 2,1 ou 2,9 TeV, se désintégrant en une paire WZ et la plus haute signification locale est de 3,6 σ, avec une signification globale de 2,3 σ.
Un autre nouveau résultat provient de recherches d’excédents de désintégrations de bosons de Higgs en une paire de taus. Dans l’hypothèse d'une nouvelle particule dotée d'une masse de 100 GeV, un léger excédent a été observé dans les données avec une signification locale de 3,1 sigmas et une signification globale de 2,7 sigmas. Cela coïncide justement avec un excédent similaire observé par CMS lors d'une précédente recherche pour des résonances de faible masse à l'état final de deux photons. Un autre excédent est visible dans la zone de masse élevée et affiche le plus grand écart par rapport aux prédictions observé pour une masse de 1,2 TeV avec une signification locale de 2,8 σ et une signification globale de 2,4 σ.
L'état final de la paire de taus a aussi été utilisé pour chercher d'hypothétiques nouvelles particules appelées leptoquarks. Les leptoquarks pourraient potentiellement expliquer les anomalies de saveur qui ont été observées par l'expérience LHCb. Ainsi, si ces anomalies constituent bien une manifestation de nouveaux phénomènes, cette voie de recherche serait un moyen d’étudier ces phénomènes sous un autre angle. Aucun excédent n'a été trouvé par CMS à ce jour, mais l'analyse commence tout juste à être sensible à l’intervalle de paramètres pour les leptoquarks qui pourraient correspondre à ces anomalies de saveur : il faudra donc plus de données pour explorer en profondeur l'hypothèse des leptoquarks.
La nouvelle période de prise de données du LHC doit commencer en juillet, à plus haute énergie et avec des détecteurs considérablement améliorés. Voilà qui promet un nouveau flux de données pour la recherche de nouveaux phénomènes.
Pour en savoir plus, lire l'article correspondant du CERN Courier (en anglais) et les publications de la collaboration CMS ici, ici et ici (toutes en anglais).