Des physiciens de la collaboration Large Hadron Collider beauty (LHCb) au CERN ont observé, pour la première fois, l’asymétrie matière-antimatière connue sous le nom de violation de charge-parité (CP) dans les désintégrations d’une particule de D0 méson, une particule subatomique composée d’un quark charmant et d’un antiquark up.
L’aimant du LHCb. Crédit photo : CERN.
Le terme CP désigne la transformation qui échange une particule avec l’image miroir de son antiparticule.
Les interactions faibles du modèle standard de la physique des particules sont connues pour induire une différence de comportement entre certaines particules et leurs homologues CP, une asymétrie connue sous le nom de violation CP.
Cette asymétrie est l’un des ingrédients clés requis pour expliquer pourquoi l’Univers actuel est uniquement composé de particules de matière, sans présence résiduelle d’antimatière.
Le phénomène a été observé pour la première fois en 1964 dans la désintégration de particules appelées mésons K neutres, qui contiennent un quark étrange. Les deux physiciens qui ont fait cette découverte, James Cronin et Val Fitch, ont reçu le prix Nobel de physique en 1980.
Une telle découverte a été une grande surprise à l’époque, car la communauté des physiciens des particules croyait fermement que la symétrie CP ne pouvait être violée.
Au début des années 1970, Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa ont réalisé que la violation de CP pouvait être incluse naturellement dans le modèle standard. Leur idée fondamentale a été confirmée trois décennies plus tard par la découverte de la violation de CP dans les désintégrations des mésons B neutres, qui contiennent un quark inférieur, par les collaborations BaBar et Belle, ce qui a conduit à l’attribution du prix Nobel de physique 2008 à Kobayashi et Maskawa.
“Il y a eu de nombreuses tentatives pour mesurer l’asymétrie matière-antimatière, mais, jusqu’à présent, personne n’y était parvenu. C’est une étape importante dans la recherche sur l’antimatière”, a déclaré le professeur Sheldon Stone de l’université de Syracuse, membre de la collaboration LHCb.
Une transformation de symétrie CP échange une particule avec l’image miroir de son antiparticule. La Collaboration LHCb a observé une rupture de cette symétrie dans les désintégrations des particules D0 (illustré par la grosse sphère à droite) et de son homologue antimatière, l’anti-D0 (grande sphère à gauche), en d’autres particules (sphères plus petites). L’ampleur de la désintégration a été déduite de la différence du nombre de désintégrations dans chaque cas (barres verticales, pour illustration uniquement). Crédit image : CERN.
Pour observer l’asymétrie de CP dans le modèle D0 les physiciens ont utilisé l’ensemble des données fournies par le Grand collisionneur de hadrons à l’expérience LHCb entre 2011 et 2018 pour rechercher les désintégrations du méson D0 et de son antiparticule, le méson anti-D0en kaons ou en pions.
“La recherche de ces deux produits de désintégration dans notre échantillon sans précédent de D0 nous a donné la sensibilité nécessaire pour mesurer l’infime quantité de violation de CP attendue pour ces désintégrations “, a déclaré le Dr Giovanni Passaleva, porte-parole de la collaboration LHCb.
“Mesurer l’ampleur de la violation se résumait alors à compter le nombre de D0 et anti-D0 et de prendre la différence.”
“Nous ne voyons pas d’antimatière dans notre monde, nous devons donc la produire artificiellement. Les données de ces collisions nous permettent de cartographier la désintégration et la transformation des particules instables en sous-produits plus stables”, a déclaré Ivan Polyakov, de l’université de Syracuse, membre de la collaboration LHCb.
Le résultat a une signification statistique de 5,3 écarts-types, dépassant le seuil de 5 écarts-types utilisé par les physiciens des particules pour revendiquer une découverte.
“Ce qui rend cette étude unique, c’est que c’est la première fois que quelqu’un est témoin de particules avec des quarks charmés qui sont asymétriques. C’est une découverte à inscrire dans les livres d’histoire”, a déclaré le professeur Stone.
“Ce résultat est une étape importante dans l’histoire de la physique des particules”, a déclaré Eckhard Elsen, directeur du CERN.pour la recherche et l’informatique.
“Depuis la découverte du méson D il y a plus de 40 ans, les physiciens des particules soupçonnent que la violation de CP se produit également dans ce système, mais ce n’est que maintenant, en utilisant essentiellement l’ensemble de l’échantillon de données collecté par l’expérience, que la collaboration LHCb a enfin pu observer cet effet.”
Les résultats ont été présentés cette semaine au 54e conférence des Rencontres de Moriond, dans la présentation du séminaire du CERN, et dans l’article sur LHCb qui sera publié dans la revue .Physical Review Letters.
