Les scientifiques cherchent des phénomènes de nouvelle physique de différentes façons, notamment en observant et en mesurant des processus qui sont extrêmement rares d’après la théorie, et en recherchant les écarts entre les données et les prédictions théoriques. Le détecteur NA62, la soixante-deuxième expérience située dans la zone Nord du CERN, est conçu pour observer avec une grande précision l’un de ces processus, à savoir la transformation d’une particule de charge positive, appelée kaon, en un pion de charge positive assorti d’une paire neutrino-antineutrino (notée K⁺→π⁺νν). Lors de la 40^e Conférence internationale sur la physique des hautes énergies, la collaboration NA62 a déclaré avoir enregistré 17 événements candidats pour cette transformation, dans des données qu’elle avait recueillies en 2018. En combinant les données collectées en 2016 et 2017, NA62 peut se prévaloir d’avoir trouvé le premier indice de ce processus rarissime, avec une signification statistique de 3,5 sigmas (3,5σ).

Les particules qui entrent en collision, à des énergies suffisamment élevées, avec d’autres faisceaux de particules ou avec des cibles fixes, peuvent produire des particules lourdes et instables, comme les kaons recherchés par NA62. Ces particules lourdes se transforment (on dit qu’elles se « désintègrent ») presque instantanément en particules plus légères, selon diverses combinaisons. Le Modèle standard de la physique des particules prédit la fréquence à laquelle une particule subira chaque transformation possible. En ce qui concerne le kaon, seul un sur 10 milliards environ devrait se transformer en un pion assorti d’une paire neutrino-antineutrino, avec une incertitude de 10 % environ. Il s’agit donc de l’un des processus les plus rares jamais observés en physique.

Le CERN est connu pour son Grand collisionneur de hadrons (LHC) ; cependant, d’autres accélérateurs du Laboratoire fournissent des faisceaux de particules à des expériences plus petites mais très spécialisées. Le faisceau utilisé au détecteur NA62 provient du Supersynchrotron à protons (SPS). Il vient heurter, à une énergie de 450 gigaélectronvolts, une cible fixe en béryllium, située en amont du détecteur. Près d’un milliard de particules secondaires sont ainsi produites chaque seconde et ces particules sont projetées sur le détecteur. Environ 6 % d’entre elles sont des kaons de charge positive. Les kaons pénètrent dans le détecteur, où un dispositif spécifique les identifie avant qu’ils ne se transforment en des particules plus légères. Les scientifiques doivent d’abord compter le nombre de kaons produits et identifier lesquels d’entre eux se sont transformés en un pion et une paire neutrino-antineutrino. Étant donné que les neutrinos et leurs antiparticules correspondantes ne laissent aucune trace dans le détecteur NA62, on les détecte en calculant les angles entre le kaon initial et le pion produit, et en mesurant leur vitesse et leur direction de déplacement.

En 2018, le détecteur NA62 a recueilli des données pendant 217 jours, consommant ainsi environ un milliard de milliards (10¹⁸) de protons. En triant ces données, la collaboration a pu identifier 17 nouveaux événements correspondant au profil K⁺→π⁺νν, à ajouter au premier événement candidat observé dans des données de 2016 et aux deux autres de 2017. La combinaison de toutes ces données a permis à NA62 de déterminer de façon expérimentale que le taux auquel les kaons subissent cette transformation rare est d’environ un sur dix milliards, avec une incertitude de 35 % environ. La valeur expérimentale est compatible avec la prédiction du Modèle standard au niveau de précision actuel.

Il s’agit d’une étape importante pour l’expérience. NA62 est désormais en passe d’atteindre un seuil de signification statistique de cinq sigmas (5σ) permettant de revendiquer l’observation du processus. Le détecteur recevra de nouveaux lots de kaons lorsque le SPS sera à nouveau opérationnel en 2021, après le deuxième long arrêt du complexe d’accélérateurs du CERN.