Les résultats de notre Grand collisionneur de hadrons suggèrent une physique non découverte
Our Large Hadron Collider results hint at undiscovered physics
The behaviour of sub-atomic particles in the LHC seems to disagree with the Standard Model.
Le comportement des particules subatomiques dans le LHC semble être en désaccord avec le Modèle Standard.
Recent findings from research we have been carrying out at the Large Hadron Collider(LHC)at Cern in Geneva suggest that we might be closing in on signs of undiscovered physics.
De récentes découvertes issues de recherches que nous menons au Grand collisionneur de hadrons(LHC)au CERN à Genève suggèrent que nous pourrions être sur le point de détecter des signes de physique inconnue.
If confirmed, these hints would overturn the theory, called the Standard Model, that has dominated particle physics for 50 years. The findings suggest the way that specific sub-atomic particles behave in the LHC disagrees with the Standard Model.
Si elles sont confirmées, ces indices renverseraient la théorie, appelée Modèle Standard, qui domine la physique des particules depuis 50 ans. Les résultats suggèrent que le comportement de certaines particules subatomiques au LHC ne correspond pas au Modèle Standard.
Fundamental particles are the most basic building blocks of matter – sub-atomic particles that cannot be divided into smaller units. The four fundamental forces – gravity, electromagnetism, the weak force and the strong force – govern how these particles interact.
Les particules fondamentales sont les blocs de construction les plus basiques de la matière – des particules subatomiques qui ne peuvent être divisées en unités plus petites. Les quatre forces fondamentales – la gravité, l’électromagnétisme, la force faible et la force forte – régissent l’interaction de ces particules.
The LHC is a giant particle accelerator built in a 27km-long circular tunnel under the French-Swiss border. Its main purpose is to find cracks in the Standard Model.
Le LHC est un accélérateur de particules géant construit dans un tunnel circulaire de 27 km sous la frontière franco-suisse. Son objectif principal est de trouver des failles dans le Modèle Standard.
This theory is our best understanding of fundamental particles and forces, but we know it cannot be the whole story. It does not explain gravity or dark matter – the invisible, so far unmeasured type of matter that makes up approximately 25% of the universe.
Cette théorie est notre meilleure compréhension des particules et des forces fondamentales, mais nous savons qu’elle ne raconte pas toute l’histoire. Elle n’explique ni la gravité ni la matière noire – le type de matière invisible, jusqu’à présent non mesuré, qui constitue environ 25 % de l’univers.
In the LHC, beams of proton particles travelling in opposite directions are made to collide, in a bid to uncover hints of undiscovered physics. The new results come from LHCb, an experiment at the Large Hadron Collider where these collisions are analysed.
Au LHC, des faisceaux de particules de protons voyageant en sens opposé sont amenés à entrer en collision, dans le but de découvrir des indices de physique inconnue. Les nouveaux résultats proviennent de LHCb, une expérience au Grand collisionneur de hadrons où ces collisions sont analysées.
The result comes from studying the decay – a kind of transformation – of sub-atomic particles called B mesons. We investigated how these B mesons decay into other particles, finding that the particular way in which this happens disagrees with the predictions of the Standard Model.
Le résultat provient de l’étude de la désintégration – une sorte de transformation – de particules subatomiques appelées mésons B. Nous avons examiné la manière dont ces mésons B se désintègrent en d’autres particules, et avons constaté que la façon particulière dont cela se produit ne correspond pas aux prédictions du Modèle Standard.
An elegant theory
Une théorie élégante
The Standard Model is built on two of the 20th century’s most transformative advances in physics; quantum mechanics and Einstein’s special relativity.
Le Modèle Standard repose sur deux des avancées les plus transformatrices de la physique au XXe siècle: la mécanique quantique et la relativité restreinte d’Einstein.
Physicists can compare measurements made at facilities such as the LHC with predictions based on the Standard Model to rigorously test the theory.
Les physiciens peuvent comparer les mesures effectuées dans des installations telles que le LHC avec les prédictions basées sur le Modèle Standard afin de tester rigoureusement la théorie.
Despite the fact that we know the Standard Model is incomplete, in over 50 years of increasingly rigorous testing, particle physicists are yet to find a crack in the theory. That is, potentially, until now.
Bien que nous sachions que le Modèle Standard est incomplet, après plus de 50 ans de tests de plus en plus rigoureux, les physiciens des particules n’ont pas encore trouvé de faille dans la théorie. C’est-à-dire, potentiellement, jusqu’à présent.
Our measurement, accepted for publication in Physical Review Letters, shows a tension of four standard deviations from the expectations of the Standard Model.
Notre mesure, acceptée pour publication dans Physical Review Letters, montre une tension de quatre écarts-types par rapport aux attentes du Modèle Standard.
In real world terms, this means that, after considering the uncertainties from the experimental results and from the theory predictions, there is only a one in 16,000 chance that a random fluctuation in the data this extreme would occur if the Standard Model is correct.
En termes réels, cela signifie qu’après avoir pris en compte les incertitudes issues des résultats expérimentaux et des prédictions théoriques, il n’y a qu’une chance sur 16 000 qu’une fluctuation aléatoire des données aussi extrême se produise si le Modèle Standard est correct.
Although this falls short of science’s gold standard – what’s known as five sigma, or five standard deviations(about a one in 1.7 million chance)– the evidence is starting to mount. Adding to this compelling narrative are results from an independent LHC experiment, CMS, that were published earlier in 2025.
Bien que cela soit en deçà de la norme d’or de la science – ce que l’on appelle cinq sigma, ou cinq écarts-types(environ une chance sur 1,7 million)– les preuves commencent à s’accumuler. À cela s’ajoutent les résultats d’une expérience indépendante du LHC, CMS, publiés plus tôt en 2025.
Although the CMS results are not as precise as those from LHCb, they agree well, strengthening the case. Our new results have been found in a study of a particular kind of process, known as an electroweak penguin decay.
Bien que les résultats de CMS ne soient pas aussi précis que ceux de LHCb, ils sont en bon accord, ce qui renforce l’argument. Nos nouveaux résultats proviennent d’une étude d’un type de processus particulier, connu sous le nom de désintégration de type électrofaible penguin.
Rare events
Événements rares
The term “penguin” refers to a specific type of decay(transformation)of short-lived particles. In this case we study how the B meson decays into four other subatomic particles – a kaon, a pion and two muons.
Le terme « pingouin » fait référence à un type spécifique de désintégration(transformation)de particules de courte durée de vie. Dans ce cas, nous étudions comment le méson B se désintègre en quatre autres particules subatomiques – un kaon, un pion et deux muons.
With some imagination, one can visualise the arrangement of the particles involved as looking like a penguin. Crucially, measurements of this decay let us study how one type of fundamental particle, a beauty quark, can transform into another, the strange quark.
Avec un peu d’imagination, on peut visualiser l’arrangement des particules impliquées comme ressemblant à un pingouin. De manière cruciale, les mesures de cette désintégration nous permettent d’étudier comment un type de particule fondamentale, un quark beauté, peut se transformer en un autre, le quark étrange.
This penguin decay is incredibly rare in the Standard Model: for every million B mesons, only one will decay in this manner. We have carefully analysed the angles and energies at which these particles are produced in the decay, and precisely determined how often the process takes place. We found that our measurements of these quantities disagree with Standard Model predictions.
Cette désintégration en pingouin est incroyablement rare dans le Modèle Standard: pour un million de mésons B, un seul se désintégrera de cette manière. Nous avons analysé avec soin les angles et les énergies auxquels ces particules sont produites lors de la désintégration, et déterminé avec précision la fréquence du processus. Nous avons constaté que nos mesures de ces quantités ne concordent pas avec les prédictions du Modèle Standard.
Precise investigations of decays like this are one of the primary goals of the LHCb experiment, and have been since its inception in 1994. Penguin processes are uniquely sensitive to the effects of potentially very heavy new particles that cannot be created directly at the LHC.
Des investigations précises de désintégrations comme celle-ci sont l’un des objectifs principaux de l’expérience LHCb, et ce depuis sa création en 1994. Les processus en pingouin sont particulièrement sensibles aux effets de nouvelles particules potentiellement très lourdes qui ne peuvent pas être créées directement au LHC.
Such particles may still exert a measurable influence on these decays over the small Standard Model contribution. This kind of indirect observation is not new. For example, radioactivity was discovered 80 years before the fundamental particles that are responsible for it(the W bosons)were directly seen.
De telles particules peuvent encore exercer une influence mesurable sur ces désintégrations au-delà de la petite contribution du Modèle Standard. Ce genre d’observation indirecte n’est pas nouveau. Par exemple, la radioactivité a été découverte 80 ans avant que les particules fondamentales responsables de celle-ci(les bosons W)ne soient vues directement.
Future directions
Perspectives d’avenir
Our studies of rare processes let us explore parts of nature that may otherwise only become accessible using particle colliders planned for the 2070s. There are a wide range of potential new theories that can explain our findings. Many contain new particles called “leptoquarks” that unite the two different types of matter: “leptons” and “quarks”.
Nos études sur les processus rares nous permettent d’explorer des parties de la nature qui ne deviendraient autrement accessibles qu’à l’aide de collisionneurs de particules prévus pour les années 2070. Il existe un large éventail de nouvelles théories potentielles capables d’expliquer nos résultats. Beaucoup contiennent de nouvelles particules appelées « leptoquarks » qui unifient les deux types de matière: les « leptons » et les « quarks ».
Other potential theories contain particles that are heavier analogues of those already found in the Standard Model. The new results constrain the form of these models and will direct future searches for them.
D’autres théories potentielles contiennent des particules qui sont des analogues plus lourds de celles déjà trouvées dans le Modèle Standard. Les nouveaux résultats contraignent la forme de ces modèles et guideront les futures recherches à leur sujet.
Despite our excitement, open theoretical questions remain that prevent us from definitively claiming that physics beyond the Standard Model has been observed. The most serious question arises from so-called “charming penguins”, a set of processes present in the Standard Model, whose contributions are extremely tricky to predict. Recent estimates of these charming penguins suggest their effects are not large enough to explain our data.
Malgré notre enthousiasme, des questions théoriques ouvertes subsistent qui nous empêchent de revendiquer de manière définitive l’observation d’une physique au-delà du Modèle Standard. La question la plus sérieuse provient des soi-disant « fantaisistes à colibri »(charming penguins), un ensemble de processus présents dans le Modèle Standard, dont les contributions sont extrêmement difficiles à prédire. Les estimations récentes de ces fantaisistes à colibri suggèrent que leurs effets ne sont pas assez importants pour expliquer nos données.
Furthermore, a combination of a theory model and experimental data from LHCb suggests that the charming penguins(and therefore, the Standard Model)struggle to explain the anomalous results.
De plus, une combinaison d’un modèle théorique et de données expérimentales provenant de LHCb suggère que les fantaisistes à colibri(et par conséquent, le Modèle Standard)ont du mal à expliquer les résultats anormaux.
New data already collected will let us confirm the situation in the coming years: in our current work we studied approximately 650 billion B meson decays recorded between 2011 and 2018 to find these penguin decays. Since then, the LHCb experiment has recorded three times as many B mesons.
Les nouvelles données déjà collectées nous permettront de confirmer la situation dans les années à venir: dans notre travail actuel, nous avons étudié environ 650 milliards de désintégrations de mésons B enregistrées entre 2011 et 2018 pour trouver ces désintégrations de type « penguin ». Depuis lors, l’expérience LHCb a enregistré trois fois plus de mésons B.
Further advances are planned for the 2030s to exploit future upgrades to the LHC and accrue a dataset 15 times larger again. This ultimate step will allow definitive claims to be made, potentially unlocking a new understanding of how the universe works at the most elementary level.
Des avancées supplémentaires sont prévues pour les années 2030 afin d’exploiter les futures mises à niveau du LHC et d’accumuler un ensemble de données 15 fois plus grand. Cette étape ultime permettra de faire des affirmations définitives, débloquant potentiellement une nouvelle compréhension du fonctionnement de l’univers au niveau le plus élémentaire.
William Barter works for the University of Edinburgh. He receives funding from UKRI. He is a member of the LHCb collaboration at Cern.
William Barter travaille pour l’Université d’Édimbourg. Il reçoit un financement de UKRI. Il est membre de la collaboration LHCb au CERN.
Mark Smith does not work for, consult, own shares in or receive funding from any company or organisation that would benefit from this article, and has disclosed no relevant affiliations beyond their academic appointment.
Mark Smith ne travaille pour, ne consulte pas, ne détient pas d’actions ni ne reçoit de financement de la part d’aucune entreprise ou organisation qui bénéficierait de cet article, et n’a divulgué aucune affiliation pertinente au-delà de sa nomination universitaire.
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