L'expérience Belle resserre l'étau sur les particules invisibles du « secteur caché »

Il est crucial de noter que trois de ces cinq canaux (B⁺ → π⁺ X, B⁺ → Dₛ⁺ X, et B⁺ → p X) n'avaient jamais fait l'objet d'une recherche directe auparavant . Pour identifier le « recul invisible », l'équipe a utilisé une technique d'« étiquetage » du méson B : un des deux mésons B de la paire est entièrement reconstruit pour déduire avec précision les propriétés de l'autre, qui s'est désintégré en une particule connue et de l'énergie manquante .

Aucun excès significatif par rapport au bruit de fond attendu n'a été observé dans aucun des canaux. En conséquence, la collaboration a établi des limites supérieures, avec un niveau de confiance de 90 %, sur les fractions de branchement (la probabilité qu'une désintégration se produise). Ces limites s'échelonnent entre 10⁻⁴ et 10⁻⁶, ce qui signifie que la probabilité de ces désintégrations est au plus d'une chance sur dix mille à une sur un million, selon la masse de la particule hypothétique .

Coup de frein immédiat pour les particules de type axion et les scalaires noirs

Ce résultat nul a des conséquences immédiates pour une vaste classe de modèles théoriques. Les particules invisibles à interaction faible, y compris les particules de type axion (ALPs) et les scalaires noirs, sont une prédiction courante des théories qui tentent d'expliquer la matière noire. L'intensité de leur interaction avec les particules du Modèle standard dicte la fréquence à laquelle elles apparaîtraient dans les désintégrations de mésons B. En ne trouvant aucun signal, l'analyse de Belle se traduit directement par des limites plus strictes sur les constantes de couplage de ces particules .

Ces nouvelles limites n'excluent pas totalement les ALPs ou les scalaires noirs – ils pourraient toujours exister avec des interactions trop faibles pour avoir été observés – mais elles réduisent considérablement l'espace des paramètres autorisés, guidant ainsi les futures expériences vers les cibles théoriques les plus prometteuses .

Première contrainte directe sur la « B-mésogenèse »

L'un des résultats les plus marquants de l'étude provient du canal impliquant un proton : B⁺ → p X. Il s'agit de la première contrainte expérimentale directe sur le mécanisme de « B-mésogenèse », un scénario théorique selon lequel les désintégrations de mésons B dans l'univers primordial auraient généré un excès d'antimatière, canalisé vers un secteur sombre . Ce mécanisme offre une explication élégante à l'une des plus grandes énigmes de la cosmologie : pourquoi notre univers est-il aujourd'hui dominé par la matière ?

Les limites supérieures établies par la collaboration Belle excluent ce mécanisme pour une certaine gamme de masses de la particule du secteur sombre, exerçant ainsi une pression significative sur le modèle. Toutefois, un article théorique récent souligne que pour tester de manière décisive la B-mésogenèse, les limites expérimentales sur la fraction de branchement de B⁺ → p + énergie manquante devraient être abaissées à des niveaux de l'ordre de 10⁻⁷, voire 10⁻⁸ .

Cap sur l'avenir avec Belle II

Si ces contraintes constituent une avancée majeure, elles sont en grande partie limitées par la statistique : l'échantillon de données de Belle n'est tout simplement pas assez grand pour sonder des désintégrations extrêmement rares. L'expérience améliorée Belle II, qui fonctionne auprès du collisionneur SuperKEKB, a déjà accumulé un échantillon de données bien plus volumineux que celui de Belle et devrait, à terme, collecter 50 fois plus de données .

Avec cet ensemble de données beaucoup plus vaste, Belle II pourra améliorer la sensibilité sur ces canaux de désintégration invisibles de plusieurs ordres de grandeur, sondant bien plus profondément l'espace des paramètres encore autorisé pour tous les modèles couverts par cette recherche. Les résultats de Belle servent donc de référence critique et de rampe de lancement pour la prochaine génération de recherches, pointant Belle II vers les gammes de masse et les modèles théoriques où une découverte pourrait bien se cacher .