Pourquoi les «usines de beauté» pourraient résoudre deux mystères cosmologiques massifs

Les installations qui font que les particules appelées b Mésons peuvent sembler obscures, mais elles pourraient aider à expliquer pourquoi il y a plus de matière que l'antimatière et ce qu'est la matière noire, dit Chanda Prescod-Weinstein

Saviez-vous que, en physique, nous avons des usines de beauté? Cela n'a rien à voir avec l'art ou le glamour. Au lieu de cela, je parle d'expériences où les électrons et leurs homologues d'antimatière, les positrons, sont collités ensemble pour produire des particules appelées ménons b.

Ceux-ci sont faits de quarks, les particules subatomiques trouvées dans la matière ordinaire. Mais alors que une telle matière est presque exclusivement composée d'électrons, de quarks et de quarks en bas, un b Meson est composé d'un antiquarque de beauté et d'un quark up, en bas, en charme étrange.

Ce maquillage donne à B les mésons une existence extrêmement courte, très éloignée de la vie quotidienne, donc vous vous demandez peut-être pourquoi quelqu'un dérangerait de consacrer des installations entières que nous appelons maintenant les usines B pour les faire. La réponse est que B Mésons peut nous aider à résoudre un grand mystère de l'univers: pourquoi il y a plus de matière que de l'antimatière.

Nous savons que chaque type de particule a un antiparticule, mais lorsque nous regardons l'univers, nous voyons principalement des particules, pas des antiparticules. L'univers apparaît donc plein d'électrons, mais pas de positrons – identiques aux électrons, mais avec une charge opposée.

Les mésons sont intéressants car ils existent entre la matière qui est abondante dans l'univers et l'antimatière, ce qui ne l'est pas. En tant que tel, nous pouvons être en mesure de les exploiter pour en savoir plus sur l'asymétrie entre la matière et l'antimatière. Comprendre cela expliquerait pourquoi il y a quelque chose de du tout dans l'univers, car la matière et l'antimatière ont tendance à anéantir au contact. Nous créons des usines B car ils peuvent nous aider à expliquer pourquoi l'univers n'est pas vide.

Les choses deviennent encore plus complexes si l'on considère que les Mésons ont également leurs propres homologues d'antimatière. Chaque B Antimeson est fait d'un quark de beauté et d'un antiquark up, down, ou étrange. Dans le cas de ménons b faits avec des quarks étranges ou descente (connus sous le nom de neutre parce qu'ils n'ont pas de charge électrique), les particules oscillent entre les mésons et les antimexons. En d'autres termes, les mésons B neutres sont spontanément non binaires.

Ce sont ces mésons B neutres qui sont essentiels pour comprendre l'asymétrie de la matière. Bien que leur nature non binaire soit une prédiction du modèle standard de physique des particules (qui catalogue chaque particule jamais vue), nous pouvons chercher à voir si les oscillations sont exactement de la moitié et de la moitié. Les particules que nous faisons d'abord dans les collisions sont-elles plus susceptibles d'être des mésons ou des antimexons? S'il y avait une asymétrie dans ces oscillations, cela pourrait expliquer l'asymétrie de matière-antimatter.

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Les usines B peuvent nous aider à comprendre quelque chose que nous sommes certains existent, mais nous n'avons jamais vu dans le laboratoire: la matière noire
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En 2010, des chercheurs de la collaboration Fermilab Dzero ont prétendu voir une différence de 1%, mais aucun autre travail n'a confirmé ce résultat. La possibilité reste intrigante, d'autant plus que la recherche n'impliquant pas les oscillations a définitivement observé des différences.

Les usines B peuvent également nous aider à comprendre quelque chose que nous sommes certains existent, mais que nous n'avons jamais vu dans le laboratoire: la matière noire. Vous vous souvenez peut-être que cette matière noire a été détectée en observant son impact gravitationnel sur la matière visible. Nous sommes assez sûrs qu'environ 85% de la matière de l'univers est ce truc invisible, mais à expliquer par le modèle standard.

Formuler une théorie pour expliquer la matière noire signifie l'hypothèse d'une nouvelle particule – ou de particules. Certains d'entre eux peuvent interagir avec les particules existantes de manière difficile à détecter. Le mécanisme permettant ces interactions est souvent connu comme un médiateur. Étant donné que les médiateurs sont également difficiles à détecter, cela semble désespéré. Mais même si nous ne verrons jamais un médiateur directement, compte tenu des bonnes conditions, nous pouvons espérer voir les particules dans lesquelles ils se décomposent – comme les paires d'électrons-positron. C'est là que les usines B peuvent aider: ils sont conçus pour isoler les produits des collisions d'électrons-positron (les produits de la matière et de l'antimatière sont en collision).

En tant que personne en dehors de la physique des collisides, je trouve l'une des choses les plus intéressantes à propos de cette recherche est la façon dont elle maintient les expériences en vie longtemps après avoir cessé de générer des données. Par exemple, l'expérience Babar au SLAC National Accelerator Laboratory, près de la Silicon Valley, a été fermée en 2008, mais les chercheurs passent toujours les données et les utilisent, notamment pour éduquer la prochaine génération de physiciens.

En 2022, Brian Shuve au Harvey Mudd College, près de Los Angeles, et une équipe de premier cycle ont testé une nouvelle idée contre les données de Babar de près de 20 ans. J'ai entendu parler de cela parce que, entre autres, l'idée propose qu'une particule hypothétique appelée l'axion agirait comme le médiateur entre la matière visible et la matière noire. Les lecteurs réguliers peuvent se rappeler que mes principales recherches sont les axions comme une matière noire.

Alors, l'un de ces scénarios (les miens ou Shuve) capturent-ils comment fonctionne notre univers? Nous pouvons simplement le découvrir dans le cadre de l'effort pour comprendre l'asymétrie de la matière.

La semaine de Chanda