Des physiciens de la collaboration LHCb au CERN ont prouvé qu’une particule subatomique appelée méson de charme peut se transformer en son antiparticule et inversement. À l’aide des données recueillies lors de la deuxième phase du Grand collisionneur de hadrons, ils ont mesuré une différence de masse de 1*10 entre les particules.-38 g.
La collaboration LHCb a mesuré l’infime différence de masse entre les mésons D1 et D2, qui sont une manifestation de la superposition quantique de la particule D0 et de son antiparticule. Cette différence de masse contrôle la vitesse de l’oscillation de D0 vers son antiparticule et inversement. Crédit image : CERN.
Le méson D0 est l’une des quatre seules particules du modèle standard de la physique des particules qui peuvent osciller vers leurs particules d’antimatière. Les trois autres sont le méson K0 et deux types de mésons B.
Les mésons font partie de la grande classe de particules constituées de particules fondamentales appelées quarks, et contiennent un quark et un quark d’antimatière.
Le méson D0 se compose d’un quark de charme et d’un antiquark supérieur, tandis que son antiparticule, l’anti-D0, se compose d’un antiquark de charme et d’un quark supérieur.
Dans le monde étrange de la physique quantique, la particule D0 peut être à la fois elle-même et son antiparticule.
Cette superposition quantique donne naissance à deux particules, chacune avec sa propre masse – un méson D plus léger et un plus lourd, appelés D1 et D2. C’est cette superposition qui permet au D0 d’osciller dans son antiparticule et inversement.
Les particules D0 sont produites lors de collisions proton-proton au Grand collisionneur de hadrons, et elles ne parcourent en moyenne que quelques millimètres avant de se désintégrer en d’autres particules.
En comparant les particules D0 qui se désintègrent après avoir parcouru une courte distance avec celles qui voyagent un peu plus loin, les physiciens de LHCb ont mesuré la quantité clé qui contrôle la vitesse de l’oscillation de D0 en anti-D0 – la différence de masse entre les particules D plus lourdes et plus légères.
Le résultat, 10-38 g, franchit le niveau de signification statistique de ‘cinq sigmas’ qui est requis pour revendiquer une observation en physique des particules.
“Pour replacer cette différence de masse incroyablement faible dans son contexte, elle reste un petit nombre même si on la compare à la masse de la particule D0”, a déclaré le Dr Chris Parkes, porte-parole de la collaboration LHCb.
“Et c’est un grand pas dans l’étude du comportement oscillatoire des particules D0”.
Avec la minuscule différence de masse maintenant observée, une nouvelle phase d’exploration des particules peut commencer.
Les physiciens peuvent effectuer d’autres mesures des désintégrations D0 pour obtenir une différence de masse plus précise et rechercher l’effet sur l’oscillation D0 de particules inconnues non prédites par le modèle standard.
Ces nouvelles particules pourraient augmenter la vitesse moyenne de l’oscillation ou la différence entre la vitesse de l’oscillation matière-antimatière et celle de l’oscillation antimatière-matière.
Si elle est observée, une telle différence pourrait expliquer pourquoi l’Univers est entièrement constitué de matière, alors que la matière et l’antimatière auraient dû être créées en quantités égales lors du Big Bang
“Ce qui rend cette découverte de l’oscillation dans la particule du méson de charme si impressionnante, c’est que, contrairement aux mésons de beauté, l’oscillation est très lente et donc extrêmement difficile à mesurer dans le temps qu’il faut au méson pour se désintégrer”, a déclaré le professeur Guy Wilkinson, physicien à l’Université d’Oxford et membre de la collaboration LHCb.
“Ce résultat montre que les oscillations sont si lentes que la grande majorité des particules se désintégreront avant d’avoir la chance d’osciller”.
“Cependant, nous sommes en mesure de confirmer qu’il s’agit d’une découverte parce que LHCb a recueilli une grande quantité de données.”
“De minuscules mesures comme celle-ci peuvent vous apprendre de grandes choses sur l’Univers auxquelles vous ne vous attendiez pas”, a déclaré le Dr Mark Williams, physicien à l’Université d’Édimbourg et membre de la collaboration LHCb.
Les résultats seront publiés dans la revue Physical Review Letters.
