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Charme et beauté: LHCb a tout pour plaire

Cette semaine, la collaboration LHCb a annoncé l’observation d’une anomalie dans les désintégrations de mésons charmés. Serait-ce la partie visible de l’iceberg précurseur de nouvelles découvertes?

Comme je l’avais rapporté cet été, l’expérience LHCb utilise des quarks lourds (charme et beauté) afin d’obtenir des mesures de hautes précisions dans l’espoir de détecter la moindre déviation du modèle standard, l’outil théorique qui guide les physiciennes et physiciens des particules depuis plusieurs décennies. Mais ce modèle a quelques lacunes qui laissent présagées qu’une « nouvelle physique » devrait bientôt être découverte.

Ce modèle surprend par la précision de ses prédictions. Jusqu’à présent, on ne l’a jamais pris en défaut. Mais si cela devait se produire, ce serait comme découvrir un passage secret nous guidant plus loin dans nos recherches sur les lois intrinsèques de la matière.

Le résultat présenté cette semaine par LHCb fournit un indice dans cette direction, bien que comme toujours, la prudence est de mise et des vérifications plus poussées sont nécessaires. Les chercheurs impliqués étudiaient les désintégrations de mésons charmés, représentés par

D0, des particules faites d’un quark charmé ou c (charge électrique +2/3) et un antiquark u (-2/3).  Le D0 est donc électriquement neutre et peut se désintégrer en une paire de kaons, K+K- (mésons contenant le quark s) ou en pions, π+π-(mésons faits des quarks les plus légers, u et d).

Mais il existe aussi  des antimésons charmés formés d’un antiquark c (-2/3) et d’un quark u (+2/3). C’est l’antimatière des mésons. Ces antimésons peuvent eux aussi donner des paires de kaons ou pions, K+K- et π+π-.

Comment savoir si on a affaire à un méson ou à un antiméson charmé puisque les deux se désintègrent exactement de la même manière? On peut, par exemple, identifier les mésons et antimésons dès qu’ils sont formés. Pour la mesure qui nous intéresse, l’équipe du LHCb a d’abord sélectionné des mésons charmés excités, D*+ et D*-, qui eux se désintègrent en produisant des pions positifs quand ils viennent avec des mésons charmés D0, ou des pions négatifs lorsqu’ils se désintègrent en antimésons charmés. La charge du pion révèle l’identité du méson.

LHCb a mesuré la différence entre la fréquence des désintégrations des mésons charmés en kaons, D0 ÞK+K-, comparée à la même fréquence pour les antimésons. Cette mesure fut ensuite répétée avec les pions comme produit final, soit D0 Þπ+π-. L’idée est de vérifier si la matière (les mésons) et l’antimatière (les antimésons) se comportent de la même façon. C’est ce qu’on appelle la « violation de charge et parité » ou simplement violation de CP.

Ils ont ensuite regardé la différence entre la différence des fréquences entre K+K- et π+π-. Grâce à cette soustraction, plusieurs biais expérimentaux s’annulent, tandis qu’un véritable signal émerge puisque le taux de violation de CP n’est pas nécessairement le même pour les pions et les kaons.

Le modèle standard de la physique des particule prédit que ce taux devrait être très petit, de l’ordre de 0.1% à 0.01% (avec une assez grande marge d’erreur ici). LHCb mesure −0.82% ± 0.21% (incertitude statistique) ± 0.11% (incertitude systématique), soit 3.5 déviations standards par rapport à zéro. En d’autres mots, si toutes les sources d’incertitude expérimentale ont bien été prises en compte, il y aurait seulement 0.05% de chances que ce résultat soit dû au hasard. D’autres groupes expérimentaux avaient aussi détecté une petite anomalie mais avec une précision bien moindre que le résultat présent, une réussite en soi.

Est-ce que cela signifie qu’on a prouvé pour la première fois que le modèle standard est incorrect? Pas encore. Il faut d’abord s’assurer que cet effet persistera une fois que toutes les données accumulées en 2011 auront été analysées, ce qui devrait être fait pour mars 2012. Seulement 60% des données ont été incluses pour cette analyse.

Comme me l’a dit Mat Charles, un des quatre physiciens impliqués dans cette mesure: “Ce pourrait être le premier indice que quelque chose d’intéressant se passe. Ça vaut donc vraiment le coup de pousser plus loin”. Ils ont l’intention d’essayer une méthode différente pour identifier mésons et antimésons charmés en partant de désintégrations de mésons plus lourds, des mésons B, ceux contenant le quark b ou beauté, juste pour être certains. Espérons qu’ils seront chanceux. Une telle découverte serait un immense pas en avant.

Pauline Gagnon

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