Que signifient les bizarreries Quark au grand collisionneur de hadrons?

Au milieu des chaînes chaotiques d’événements qui s’ensuivent lorsque les protons se brisent ensemble au Grand collisionneur de hadrons en Europe, une particule est apparue qui semble se fragmenter d’une manière particulière.

Tous les yeux sont tournés vers le méson B, une paire de particules de quark à joug. Ayant déjà détecté des odeurs de comportement inattendu du méson B, les chercheurs de la grande expérience de beauté du collisionneur de hadrons (LHCb) ont passé des années à documenter de rares événements de collision mettant en vedette les particules, dans l’espoir de prouver de manière concluante qu’une nouvelle particule ou effet fondamental fondamental se mêle d’eux.

Histoire originale réimprimée avec la permission de Magazine Quanta, une publication indépendante de la rédaction de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension du public des sciences en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et en sciences physiques et de la vie.

Dans leur dernière analyse, présentée pour la première fois lors d’un séminaire en mars, les physiciens du LHCb ont constaté que plusieurs mesures impliquant la désintégration des mésons B entraient légèrement en conflit avec les prédictions du modèle standard de la physique des particules – l’ensemble régnant d’équations décrivant le monde subatomique. Pris isolément, chaque bizarrerie ressemble à une fluctuation statistique, et ils peuvent tous s’évaporer avec des données supplémentaires, comme cela s’est produit auparavant. Mais leur dérive collective suggère que les aberrations peuvent être des miettes de pain menant au-delà du modèle standard à une théorie plus complète.

« Pour la première fois de ma vie professionnelle, il y a une confluence de différentes désintégrations qui montrent des anomalies qui correspondent », a déclaré Mitesh Patel, physicien des particules à l’Imperial College de Londres qui fait partie du LHCb.

Le méson B est ainsi nommé car il contient un quark inférieur, l’une des six particules de quark fondamentales qui représentent la majeure partie de la matière visible de l’univers. Pour des raisons inconnues, les quarks se décomposent en trois générations: lourds, moyens et légers, chacun avec des quarks de charge électrique opposée. Les quarks plus lourds se décomposent en leurs variations plus légères, changeant presque toujours leur charge aussi. Par exemple, lorsque le quark de fond lourd chargé négativement dans un méson B chute d’une génération, il devient généralement un quark de «charme» de poids moyen, chargé positivement.

La collaboration LHCb parcourt l’épave des amas de particules à la recherche d’exceptions à cette règle. Pour chaque million de désintégrations de mésons B qu’ils voient, un événement périphérique présente un quark de fond rebelle qui se métamorphose à la place en un quark «étrange», laissant tomber une génération mais gardant sa charge négative. Le modèle standard prédit le taux extrêmement faible de ces événements et la façon dont ils se dérouleront. Mais parce qu’ils sont si rares, tout ajustement provenant de particules ou d’effets non découverts devrait être évident.

La nouvelle analyse du LHCb a couvert environ 4 500 désintégrations de mésons B rares, doublant à peu près les données de leur étude précédente en 2015. Chaque transformation se termine par quatre particules sortantes frappant un détecteur en forme d’anneau. Lorsque les expérimentateurs ont comparé les différents angles entre les particules avec les angles prédits par le modèle standard, ils ont trouvé un écart par rapport au modèle attendu. La signification collective des angles anormaux a légèrement augmenté depuis la dernière analyse, et les chercheurs disent que les nouvelles mesures racontent également une histoire plus unifiée. « Soudain, la cohérence entre les différents observables angulaires s’est beaucoup améliorée », a déclaré Felix Kress, un chercheur du LHCb qui a aidé à calculer les chiffres.

Statistiquement, la déviation du motif angulaire équivaut à lancer 100 fois une pièce et à obtenir 66 têtes, plutôt que la cinquantaine habituelle. Pour une pièce équitable, les chances d’une telle déviation sont d’environ 1 sur 1000.

Mais au milieu d’une multitude de collisions de particules, des fluctuations statistiques ne manqueront pas de se produire, donc un écart de 1 sur 1 000 ne constitue pas une preuve tangible d’une rupture avec le modèle standard. Pour cela, les physiciens devront accumuler suffisamment de désintégrations de mésons B pour démontrer une déviation de 1 sur 1,7 million, ce qui revient à retourner 75 têtes. «S’il s’agit d’une nouvelle physique», a déclaré Jure Zupan, physicien théoricien à l’Université de Cincinnati, à propos de la mise à jour actuelle, «ce n’est pas assez significatif.»

Pourtant, le modèle observé suggère que quelque chose ne va pas avec les produits de désintégration du méson B dans la famille des leptons, l’autre catégorie de particules de matière en dehors des quarks. Comme les quarks, les leptons se présentent en générations lourdes, moyennes et légères (appelées particules tau, muons et électrons, respectivement); le modèle standard dit qu’ils sont tous identiques à l’exception de leur masse. Chaque désintégration du méson B se termine en tirant sur une paire jumelle de l’un des trois types de leptons. La dernière mise à jour de LHCb s’est concentrée sur le modèle angulaire anormal produit par les événements de muons, qui sont les plus faciles à détecter.

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Written by Naruto Uzumaki

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