Le 24 mars, lors de la conférence annuelle de Rencontres de Moriond à La Thuile, en Italie, la collaboration du LHCB au CERN a signalé une nouvelle étape dans notre compréhension des différences subtiles mais profondes entre la matière et l'antimatière.
Dans son analyse de grandes quantités de données produites par le grand collisionneur de hadrons (LHC), l'équipe internationale a trouvé des preuves écrasantes que les particules appelées baryons, telles que les protons et les neutrons qui composent les noyaux atomiques, sont soumis à une asymétrie de type miroir dans les lois fondamentales de la nature qui provoquent la compréhension de la matière et de l'antimour.
La découverte fournit de nouvelles façons de déterminer pourquoi les particules élémentaires qui composent la matière entrent dans les modèles soignés décrits par le modèle standard de physique des particules et d'explorer pourquoi la matière a apparemment prévalu sur l'antimatière après le Big Bang. Le papier est disponible sur le arxiv serveur de préimprimée.
Observé pour la première fois dans les années 1960 parmi une classe de particules appelés mésons, qui sont constitués d'une paire de quark-antiquark, la violation de la symétrie « de charge de charge (CP) » a fait l'objet d'une étude intense aux expériences de cible fixe et de collision. Bien que l'on s'attendait à ce que l'autre classe principale de particules connues – des drapeau, qui sont composées de trois quarks – seraient également soumises à ce phénomène, des expériences telles que LHCB n'avaient vu que des indices de violation de CP dans les baryons jusqu'à présent.
« La raison pour laquelle il a fallu plus de temps pour observer la violation du CP dans les baryons que dans les mésons est de la taille de l'effet et des données disponibles », explique le porte-parole du LHCB, Vincenzo Vagnoni. « Nous avions besoin d'une machine comme le LHC capable de produire un nombre suffisamment grand de baryons de beauté et de leurs homologues antimatière, et nous avions besoin d'une expérience dans cette machine capable de pincer leurs produits de désintégration. Il a fallu plus de 80 000 désintégres baryons pour nous pour voir la matière – asymétrie antérieure avec cette classe de particules pour la première fois. »
Les particules sont connues pour avoir une masse identique et des charges opposées en ce qui concerne leurs partenaires d'antimatière. Cependant, lorsque les particules se transforment ou se décomposent en autres particules, par exemple, comme cela se produit lorsqu'un noyau atomique subit une décroissance radioactive, la violation du CP provoque une fissure dans cette symétrie de type miroir. L'effet peut se manifester dans une différence entre les taux auxquels les particules et leurs homologues d'antimatière se décomposent en particules plus légères, que les physiciens peuvent enregistrer en utilisant des détecteurs très sophistiqués et des techniques d'analyse des données.
La collaboration du LHCB a observé la violation de CP dans un cousin de protons et de neutrons plus lourds et de courte durée appelée la beauté-Lambda Baryon λb, qui est composée d'un quark up, d'un quark-bown et d'un quark de beauté.
Tout d'abord, ils ont passé en revue les données collectées par le détecteur LHCB au cours des première et deuxième séries du LHC (qui a duré de 2009 à 2013 et de 2015 à 2018, respectivement) à la recherche de la décroissance de la particule λb en proton, d'un kaon et d'une paire de pions en charge opposée, ainsi qu'à la décomposition correspondante de son antimatter à contrepartie, à l'anti-λb. Ils ont ensuite compté le nombre des désintégrations observées de chacun et ont pris la différence entre les deux.
L'analyse a montré que la différence entre les nombres de désintégrations λb et anti-λb, divisées par la somme des deux, diffère de 2,45% de zéro avec une incertitude d'environ 0,47%. Statistiquement parlant, le résultat diffère de zéro de 5,2 écarts-types, qui est au-dessus du seuil requis pour réclamer une observation de l'existence de la violation de la CP dans cette désintégration du baryon.
Bien que l'on s'attend depuis longtemps à s'attendre à ce que la violation du CP existe entre les baryons, les prédictions complexes du modèle standard de la physique des particules ne sont pas encore suffisamment précises pour permettre une comparaison approfondie entre la théorie et la mesure du LHCB.
De façon perplexe, la quantité de violation de CP prédite par le modèle standard est de nombreux ordres de grandeur trop petits pour tenir compte de l'asymétrie de la matière – antimatter observée dans l'univers. Cela suggère l'existence de nouvelles sources de violation du CP au-delà de celles prédites par le modèle standard, dont la recherche est une partie importante du programme de physique du LHC et se poursuivra à de futurs colliders qui pourraient lui réussir.
« Plus nous observons de systèmes dans lesquels nous observons des violations de CP et plus les mesures sont précises, plus nous avons de possibilités de tester le modèle standard et de rechercher la physique au-delà », explique Vagnoni. « La toute première observation de la violation du CP dans une désintégration baryon ouvre la voie à de nouvelles investigations théoriques et expérimentales de la nature de la violation du CP, offrant potentiellement de nouvelles contraintes pour la physique au-delà du modèle standard. »
« Je félicite la collaboration du LHCB pour ce résultat passionnant. Il souligne à nouveau le potentiel scientifique du LHC et de ses expériences, offrant un nouvel outil pour explorer la question – asymétrie de l'antimouleur dans l'univers », explique le directeur du CERN pour la recherche et l'informatique, Joachim Mnich.
