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Vieille énigme résolue

Ce matin, lors de la conférence de la Société européenne de physique à Stockholm, l’expérience LHCb du Grand collisionneur de hadrons (LHC)

du CERNa présenté un élément de plus pour clore le chapitre sur une étrange situation qui gardait les théoricien-ne-s perplexes depuis une vingtaine d’années.

LHCb a présenté la mesure la plus précise à ce jour de la durée de vie du baryon b. Les baryons sont des particules formées de trois quarks. Par exemple, les protons et les neutrons sont constitués d’une combinaison de quarks u et d. Ce qui rend les baryons b spéciaux, c’est qu’ils contiennent un quark b, un type de quark beaucoup plus lourd. Toutes les particules composites contenant des quarks b comme les mésons B (faits d’un quark b et soit d’un quark u ou d) et les baryons b sont instables, ce qui signifie qu’ils ont une courte durée de vie. Environ une picoseconde après avoir été créés, ils se décomposent en particules plus légères.

En théorie, les mésons B et les baryons b devraient avoir à peu près la même durée de vie. Mais dans les années 1990, quand le CERN fonctionnait avec le précurseur du LHC, l’accélérateur appelé le LEP (Large Electron Positron Collider), toutes les expériences mesuraient une durée de vie systématiquement plus courte pour les baryons b que pour les mésons B comme on peut le voir sur le graphique ci-dessous. Bien que les marges d’erreurs étaient grandes, la tendance générale vers des valeurs plus basses était d’autant plus surprenante puisque les quatre expériences (ALEPH, DELPHI, OPAL et L3) travaillaient indépendamment.

Lb_lifetime_comparison

Les différentes valeurs mesurées pour la durée de vie des baryons b au fil du temps avec les plus anciennes en bas et les toutes dernières venant du LHC tout en haut. La durée de vie mesurée est maintenant très proche de 1.5 picoseconde soit celle mesurée pour les mésons B.

Cette situation avait incité plusieurs théoricien-ne-s à réexaminer leurs calculs et à chercher un effet négligé qui aurait pu expliquer la différence. Malgré tous leurs efforts, il était pratiquement impossible de réconcilier la durée de vie mesurée pour les baryons b (quelque part entre 1,1 à 1,3 picoseconde) avec celle des mésons B qui était à environ 1,5 picosecondes.

Une décennie plus tard, D0 et CDF, deux expériences d’un autre accélérateur, le Tevatron près de Chicago, ont commencé à combler l’écart. Mais il a fallu attendre une autre décennie pour que les expériences du LHC démontrent qu’en fait, il n’y a pas grand différence entre la durée de vie des baryons b et celle des mésons B.

Plus tôt cette année, ATLAS et CMS avaient toutes les deux mesuré des valeurs plus en accord avec la durée de vie des mésons B. Avec ce dernier résultat de haute précision de l’expérience LHCb, il y a maintenant suffisamment d’évidence pour clore l’affaire après une vingtaine d’années de questionnement. LHCb a mesuré la durée de vie du baryon b à 1,482 ± 0,018 ± 0,012 picoseconde. Le rapport à la durée de vie des mésons B est de 0,976 ± 0,012 ± 0,006, une valeur très proche de un, tel que prévu théoriquement.

Une explication possible serait que toutes les expériences du LEP étaient affectées par une erreur systématique commune mais toujours inconnue. Ou simplement une fluctuation statistique (i.e. malchance !). La cause exacte ne sera peut être jamais identifiée, mais au moins, le problème est résolu. C’est une grande réussite pour les théoricien-ne-s qui savent désormais que leurs calculs étaient justes, et ce depuis le début.

Pauline Gagnon

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