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LHCb observe une nouvelle saveur de l’asymétrie matière-antimatière

par Sophie Trincaz - 21 mars

La collaboration LHCb au CERN vient d’annoncer la découverte d’une nouvelle manifestation d’une asymétrie matière-antimatière (« CP »), observée pour la première fois dans des désintégrations d’une particule appelée le D°. Le LPNHE participe à l’expérience depuis plus de dix ans, et aujourd’hui treize physicien.ne.s et trois ingénieurs contribuent à l’équipe LPNHE-LHCb.

Ils étudient l’asymétrie matière-antimatière, mais aussi les désintégrations rares et sensibles à des nouveaux phénomènes au-delà du modèle standard, la spectroscopie des particules, et le développement d’un nouveau détecteur et une nouvelle chaîne d’acquisition qui augmenteront la précision des mesures dès 2021. Le résultat présenté le 21 mars lors de la conférence annuelle les Rencontres de Moriond et d’un séminaire consacré à ce sujet au CERN, va sans l’ombre d’un doute faire date dans les manuels de physique des particules.

« Ce résultat est un jalon dans l’histoire de la physique des particules. Depuis la découverte du méson D, il y a plus de 40 ans, les physiciens des particules pressentaient que la violation de CP avait lieu également dans ce système, mais ce n’est que maintenant, en utilisant la quasi-totalité des données collectées par l’expérience, que la collaboration LHCb a enfin pu observer cet effet », explique Eckard Elsen, directeur de la recherche et de l’informatique au CERN.

Le terme violation de CP fait référence à la transformation qui échange une particule avec l’image miroir de son antiparticule. On sait que les interactions faibles du Modèle standard de la physique des particules provoquent une différence entre le comportement de certaines particules et celui de leurs partenaires de CP, et cette asymétrie est appelée violation de CP. Cet effet a été observé pour la première fois dans les années 1960, au Laboratoire de Brookhaven (États-Unis), avec des particules appelées mésons K neutres, qui contiennent un quark s ; en 2001, des expériences menées aux laboratoires SLAC (États-Unis) et KEK (Japon) ont également observé ce phénomène avec des mésons neutres B, qui contiennent un quark b. Ces découvertes ont été à l’origine de l’attribution de deux prix Nobel, l’un en 1980 et l’autre en 2008.

La violation de CP est un phénomène essentiel dans notre Univers car il est nécessaire pour donner naissance aux processus qui, après le Big Bang, ont été à l’origine de la prépondérance de la matière par rapport à l’antimatière que nous observons dans l’Univers actuel. La valeur de la violation de CP observée jusqu’ici dans les interactions du Modèle standard est toutefois trop faible pour expliquer le déséquilibre actuel entre matière et antimatière, ce qui laisse imaginer l’existence de sources supplémentaires, encore inconnues, de violation de CP.

Le méson D° est composé d’un quark c et d’un antiquark u. Jusqu’ici, la violation de CP avait été observée uniquement dans des particules contenant un quark s ou un quark b. Ces observations ont confirmé le modèle de la violation de CP décrit dans le Modèle standard par la matrice de mélange dite de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), qui caractérise la manière dont les quarks de différents types se transforment les uns en les autres lors d’interactions faibles. L’origine profonde du phénomène décrit par la matrice CKM et la recherche de sources et de manifestations supplémentaires de la violation de CP font partie des grandes questions en suspens de la physique des particules. La découverte de la violation de CP dans le cas du méson D° est le premier signe de cette asymétrie pour le quark c, ce qui ajoute de nouveaux éléments à l’étude de ces questions.

Afin d’observer cette asymétrie de CP, les scientifiques de LHCb ont analysé l’ensemble des données fournies entre 2011 et 2018 par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) à l’expérience LHCb, afin d’y chercher les désintégrations en kaons ou en pions du méson D° et de son antiparticule, l’anti-D°. « En utilisant notre échantillon de particules D°, d’un volume sans précédent, pour chercher ces deux produits de désintégration, nous avons atteint la sensibilité nécessaire pour mesurer la petite valeur de la violation de CP attendue pour ces désintégrations. À partir de là, il a suffi, pour mesurer l’importance de la violation, de compter les désintégrations des D° et des anti-D° et de calculer la différence entre les deux », explique Giovanni Passaleva, porte-parole de la collaboration LHCb.

Le résultat a une signification statistique de 5,3 écarts-types, c’est-à-dire qu’il dépasse le seuil de 5 écarts-types utilisé par les physiciens des particules pour valider une découverte. Cette mesure va stimuler la réalisation de nouveaux travaux théoriques dans le but d’évaluer son impact sur la description de la violation de CP par la matrice CKM contenue dans le Modèle standard, et ouvrir la voie à la recherche de possibles nouvelles sources de violation de CP du côté des particules charmées.

Le séminaire qui a lieu au CERN, à 11 heures (heure locale), sera retransmis sur le web. Pour plus d’informations, consultez le site web de LHCb et l’article rapportant ces résultats.

Contact au laboratoire : Eli Ben-Haim

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