L'expérience BESIII réalise une mesure de haute précision des désintégrations semi-leptoniques des mésons charmés et contraint pour la première fois le « courant scalaire »

Récemment, la collaboration internationale BESIII (Beijing Spectrometer III) a réalisé une mesure conjointe de quatre canaux de désintégration semi-leptonique : D⁰→K⁻e⁺νₑ, D⁰→K⁻μ⁺νμ, D⁺→K̄⁰e⁺νₑ et D⁺→K̄⁰μ⁺νμ, en utilisant le plus grand échantillon de données de mésons charmés près du seuil au monde. L'équipe de recherche a extrait l'élément de matrice de mélange de quarks |Vcs| avec une précision supérieure à 0,5 %, déterminé la valeur au point nul du facteur de forme f₊(0) avec une précision supérieure à 0,2 %, et vérifié l'universalité leptonique dans ces processus au niveau de précision de 0,5 %. Outre ces déterminations précises des paramètres du modèle standard, le point le plus remarquable est que cette expérience a, pour la première fois, délimité la région expérimentalement autorisée pour la contribution du courant scalaire dans les désintégrations du quark charmé.

Les désintégrations semi-leptoniques des mésons charmés constituent un pont idéal entre les interactions faibles et fortes. Au niveau des quarks, le quark charmé (c) peut se transformer en un quark léger (q=s,d) via l'interaction faible, tout en émettant un boson W⁺ virtuel (c→qW⁺), qui se désintègre ensuite en un lepton chargé et un neutrino (W⁺→ℓ⁺νℓ) ; l'autre quark léger du méson charmé initial entre dans l'état final en tant que « spectateur », comme illustré sur la figure 1. L'intensité de l'interaction faible dans ce type de processus est déterminée par le paramètre fondamental du modèle standard —— l'élément de matrice de mélange de quarks |Vcq|, tandis que tous les effets non perturbatifs de l'interaction forte sont contenus dans le facteur de forme f₊(q²) qui varie avec le transfert d'impulsion quadridimensionnel q² de la paire leptonique. Grâce à l'étude de haute précision de la dynamique interne des désintégrations semi-leptoniques des mésons charmés, il est possible de déterminer précisément |Vcq| afin de tester l'unitarité de la matrice de mélange de quarks, et de mesurer avec précision la valeur au point nul du facteur de forme f₊(0), fournissant ainsi une référence d'étalonnage pour les calculs de la chromodynamique quantique sur réseau.

Le modèle standard postule que les trois générations de leptons chargés (électron, muon, tau) possèdent des propriétés d'interaction rigoureusement identiques en dehors de leur masse, c'est-à-dire l'universalité leptonique ; de plus, le courant chargé possède une structure purement vectorielle−axiale, sans courant scalaire. Cependant, ces dernières années, plusieurs indices de non-universalité de saveur leptonique ont été observés dans les désintégrations semi-leptoniques des mésons B, suscitant un vif intérêt dans la communauté scientifique. Certains modèles de nouvelle physique au-delà du modèle standard considèrent le courant scalaire comme l'une des explications théoriques possibles, et les désintégrations des mésons charmés offrent une plateforme de test indépendante à cet égard.

L'expérience BESIII a réalisé une analyse conjointe des quatre canaux de désintégration mentionnés ci-dessus, en exploitant environ 140 millions de paires de mésons charmés et l'avantage d'un faible bruit de fond. Sous un contrôle rigoureux des erreurs systématiques, l'équipe de recherche a mesuré |Vcs| avec une précision d'environ 0,5 % et f₊(0) avec une précision d'environ 0,2 %. Les résultats du test d'universalité leptonique montrent que le rapport des taux de désintégration entre le canal électronique et le canal muonique est cohérent avec la prédiction du modèle standard à une précision de 0,5 %, sans écart significatif observé. La figure 2 résume la comparaison pondérée des mesures de |Vcs| par différentes expériences, montrant que ces résultats atteignent le plus haut niveau de précision dans le domaine de la physique du charme. Après avoir achevé la détermination précise des paramètres du modèle standard, l'équipe de recherche a ensuite analysé la contribution potentielle du courant scalaire. L'analyse montre que, lorsqu'on suppose un courant scalaire nul dans les désintégrations semi-leptoniques du canal muonique des mésons charmés, les données expérimentales présentent un écart de 2,3 écarts-types (comme illustré sur la figure 3). C'est la première fois que la région expérimentalement autorisée pour le courant scalaire est délimitée dans les désintégrations semi-leptoniques du quark charmé, ce qui comprime considérablement l'espace des paramètres de la nouvelle physique associée et fournit des informations complémentaires importantes pour comprendre les indices de non-universalité de saveur leptonique dans les désintégrations semi-leptoniques des mésons B.

Ces résultats ont été publiés sous forme de lettre et d'article long accompagnant, respectivement, dans Physical Review Letters 137, 091803 (2026) et Physical Review D 114, 033008 (2026). Les travaux d'analyse correspondants ont été menés principalement par Zeng Yijia, doctorant sous la direction du chercheur Ma Hailong de l'Institut de physique des hautes énergies de l'Académie chinoise des sciences. La recherche a bénéficié du soutien de l'Académie chinoise des sciences, du programme clé de recherche et développement du ministère de la Science et de la Technologie, ainsi que de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.

Figure 1. Schéma de la désintégration semi-leptonique du méson D en méson anti-K. Le processus du modèle standard est médié par le boson W⁺ ; des particules scalaires chargées potentielles telles que H⁺ peuvent générer des contributions supplémentaires de courant scalaire.

Figure 2. Comparaison pondérée des mesures de |Vcs| par différentes expériences

Figure 3. Région de confiance du coefficient du courant scalaire complexe dans le canal muonique fournie par BESIII