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CERN (Francais) | Geneva | Switzerland

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Comment découvrir de nouvelles théories?

La découverte d’une anomalie expérimentale est une bonne façon d’ouvrir la voie vers de nouvelles théories. Ça marche tellement bien que plusieurs physiciens et physiciennes se consacrent à déceler la moindre déviation par rapport aux prédictions de la théorie actuelle, le Modèle Standard de la physique des particules.

C’est l’approche adoptée par la collaboration LHCb du CERN dans leur recherche de désintégrations extrêmement rares. Dans ce cas, même une minuscule déviation devient visible. Une possibilité consiste à mesurer le taux de désintégration de mésons K, des particules formées d’un quark s et d’un anti- quark d.

Il existe en fait deux versions de ces mésons K: les premiers ont une durée de vie courte, les K0S (pour K-short en anglais) et les autres ont une longue vie, K0L (pour K-long).  Au début des années 70, certain-e-s scientifiques ont découvert que les K0L se désintégraient en une paire de muons environ 10 000 fois moins souvent que ce que prédisait la théorie. A l’époque, la théorie ne comptait que trois quarks: u, d et s.

Cette observation inspira trois théoriciens, Sheldon Glashow, John Iliopoulos et Luciano Maiani. Ils ont proposé une solution qui impliquait l’existence d’un nouveau quark encore inconnu, le quark charmé c. Cette explication porte aujourd’hui le nom de mécanisme de GIM (pour Glashow, Iliopoulos et Maiani). Cette percée au niveau théorique fut confirmée peu de temps après par la découverte du quark charmé en 1974.

Récemment, la collaboration LHCb a décidé de mesurer le taux de désintégration en paires de muons des mésons K de courte durée de vie, les K0S. Les K0S sont les seuls mésons K qui se désintègrent assez vite pour être captés avec précision dans leur détecteur.

Pour ce faire, on a dû sélectionné des milliards d’évènements contenant une paire de muons et voir si certaines paires provenaient de la désintégration d’un K0S. On peut déterminer la masse d’une particule en additionnant la masse et la quantité de mouvement de tous ses fragments après sa désintégration. Si ces paires de muons provenaient d’un K0S, la masse reconstituée aurait la masse du K0S. Une accumulation d’évènements apparaitrait alors tout près de cette valeur dans la distribution de toutes les valeurs de masses reconstituées.

Mais dans le graphe ci-dessous, il n’y a aucune accumulation d’évènements dans la région autour de 500 MeV, la valeur de la masse du K0S. La collaboration LHCb a ainsi pu conclure qu’un K0S ne peut se désintégrer en deux muons que moins de 9 fois sur un milliard.  En termes scientifiques, on écrirait que ce taux, dénoté BR, est BR(K0S →μμ ) < 9 x 10-9 avec un niveau de confiance de 90% et ce, après avoir analyser toutes les donnes récoltées en 2011. Puisqu’aucun pic n’apparaît le long de la courbe, on peut conclure que ces paires de muons venaient d’une variété de désintégrations où d’autres particules furent aussi produites en plus de la paire de muons.

 

Il reste du chemin à faire puisque la limite mesurée est encore 2000 fois plus élevée que ce que prédit le modèle standard, soit 5×10-12. Néanmoins, LHCb se rapproche de la prédiction théorique et pourra peut-être, avec suffisamment de données, arriver à la tester un jour.

Pas facile de découvrir le prochain pallier théorique quand on doit analyser des milliards d’évènements juste pour tester la théorie actuelle.

Pauline Gagnon

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