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Posts Tagged ‘physique du b’

Lors de la conférence de la Société européenne de physique à Stockholm, deux expériences du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, LHCb and CMS ont apporté des preuves solides que le Modèle standard de la physique des particules ne montre toujours aucun signe de fatigue en poussant la vérification de l’une des prédictions du modèle jusqu’à la neuvième décimale.

Le modèle standard permet des prédictions très précises, mais les théoricien-ne-s savent que cette théorie a ses limites. À plus haute énergie, ses équations commencent à flancher. Les théoricien-ne-s sont donc convaincu-e-s que malgré tout le succès de ce modèle, il ne nous donne qu’une image incomplète du monde matériel. Par conséquent, les scientifiques cherchent l’entrée du “passage secret” vers un niveau supérieur, révélant une théorie plus globale et plus robuste.

Une façon d’y parvenir est de rechercher le moindre petit écart par rapport aux prévisions théoriques. Et un bon endroit pour trouver une petite déviation est en regardant parmi les procédés extrêmement rares. Il est beaucoup plus facile de déceler un léger murmure dans un endroit calme qu’au beau milieu de la circulation aux heures de pointe.

Plus précisément, les scientifiques ont mesuré la fréquence de désintégrations de particules composites appelées mésons Bs et Bd en une paire de muons (particules similaires aux électrons mais 200 fois plus lourdes). Un méson Bs est une particule composite contenant un quark b et un quark s alors que les mésons Bd sont faits de quarks b et d. Ces particules lourdes sont instables et se désintègrent rapidement en particules plus légères.

Le modèle standard prédit que les mésons Bs se brisent et donnent une paire de muons environ trois fois sur un milliard de désintégrations tandis que pour les mésons Bd, cela devrait se produire environ trente fois moins souvent. Voilà donc deux excellents endroits où l’existence de phénomènes nouveaux non prévus dans le Modèle standard pourrait créer de petites déviations par rapport aux prédictions.

Toutes les théories allant au-delà du Modèle standard s’accompagnent de nouvelles particules. Ces particules affecteraient les possibilités de désintégrations des autres particules, c’est à dire comment elles se brisent. Une désintégration est très semblable à la façon de faire la monnaie pour une grosse pièce. Imaginez une pièce d’un euro. Elle peut être échangée pour des pièces de 1, 5, 10, 20 ou 50 centimes. Mais si on introduit des pièces de 25 centimes, un distributeur automatique ne donnerait plus la monnaie d’un euro en pièces de 50, 20, 20 et 10 centimes aussi souvent qu’avant parce que de nouvelles possibilités existeraient.

En mesurant combien de fois les mésons Bs et Bd se désintègrent en muons, les scientifiques espéraient voir pour la première fois un écart par rapport aux prédictions du Modèle standard. Au contraire, les deux expériences ont confirmé cette prédiction, du moins à l’intérieur des marges d’erreur.

CMS, qui signifie Spectromètre Compact pour Muons, et LHCb, une expérience conçue spécifiquement pour étudier les quarks b, sont tout particulièrement désignées pour ce genre de mesures. CMS a obtenu (3,0 +1,0-0,9) x 10-9 et LHCb (2,9 +1,1-1,0) x 10-9 alors que la prédiction du Modèle standard s’établit à (3,5 ±  0,3)  x 10-9. Cela correspond à des mesures à 4,3σ et 4,0σ, donc venant beaucoup plus probablement du signal plutôt que d’une fluctuation du bruit de fond. Deux autres expériences ont présenté de nouveaux résultats mais basés sur de plus petits échantillons de données. ATLAS (données partielles) et D0 (données finales) mesurent toutes les deux la même limite supérieure, soit 15 x 10-9.

Bs-mumu-combo

Les résultats obtenus par LHCb et CMS pour les mésons Bs, ainsi que la prédiction théorique du Modèle standard (ligne verticale en noir) avec la marge d’incertitude théorique (bande verte).

Pour les désintégrations de mésons Bd, les collaborations LHCb et CMS ont toutes les deux pu placer  la limite supérieure à 7,4 x 10-10 pour LHCb et 11 x 10-10 pour CMS avec un indice de confiance de 95%.  La prédiction du Modèle standard se situe à moins de 1 x 10-10.

Tous ces résultats sont en accord avec les prédictions du Modèle standard. Après le redémarrage du LHC à plus haute énergie en 2015, les expériences du LHC raffineront leurs mesures pour les mésons Bs et tenteront d’obtenir une première mesure pour les mésons Bd (et non pas seulement une limite). Eventuellement, elles pourront mesurer le rapport entre les mésons Bs et Bd. Ceci permettra à certaines incertitudes expérimentales et théoriques de s’annuler, ce qui donnera une mesure encore plus précise. Puisqu’aucun écart n’a été décelé à la neuvième décimale, nous devrons aller voir ce qui se passe à la dixième décimale.

Tous les détails se trouvent sur les sites de CMS et LHCb (en anglais seulement).

Pauline Gagnon

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Vieille énigme résolue

Saturday, July 20th, 2013

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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