À la recherche des asymétries charmées

La caverne expérimentale de l'expérience LHCb. (Image : Maximilien Brice/CERN)

L’un des plus grands défis de la physique consiste à comprendre pourquoi tout ce que nous observons dans l’Univers semble être constitué uniquement de matière, alors que le Big Bang aurait dû créer matière et antimatière en quantités égales.

L’expérience LHCb du CERN est l’un des meilleurs espoirs pour les physiciens qui cherchent à découvrir la clé de ce mystère, irrésolu depuis longtemps.

Lors du VIIIe atelier international sur la physique du charme, qui s’est tenu à Bologne début septembre, la collaboration LHCb a présenté la mesure la plus précise à ce jour d’un phénomène appelé violation de CP (charge-parité) pour des particules contenant un quark charmé (quark c).

La symétrie de CP suppose que les lois de la physique restent inchangées si une particule est remplacée par l’antiparticule équivalente (ce qui correspond au « C ») et si les coordonnées spatiales sont inversées (« P »). La violation de cette symétrie, dans les tout premiers instants de l’Univers, est l’un des ingrédients fondamentaux pouvant expliquer le déséquilibre cosmique apparent en faveur de la matière.

L’ampleur de la violation de CP détectée jusqu’à présent entre des particules élémentaires ne peut expliquer qu’une petite fraction de l’asymétrie observée entre matière et antimatière. Les physiciens doivent par conséquent élargir le champ de leurs recherches afin d’identifier la source de l’antimatière manquante.

La collaboration LHCb a procédé à une comparaison précise entre la durée de vie d’une particule appelée méson D0 (formée d’un quark c et d’un antiquark u) et de la particule équivalente dans l’antimatière, D0 (formée d’un antiquark c et d’un quark u), avant leur désintégration en deux pions ou en deux kaons. Toute différence observée entre ces durées de vie constituerait un indice solide qu’une source supplémentaire de violation de CP est à l’œuvre. En effet, si la violation de CP a été observée dans des processus impliquant plusieurs particules contenant des quarks b et s, cet effet n’a cependant pas encore été observé dans le secteur des quarks c, et le Modèle standard prévoit que son ampleur soit très faible.

Grâce à l’excellente performance du Grand collisionneur de hadrons du CERN, la collaboration LHCb recueille pour la première fois un volume de données suffisant pour mesurer avec la précision nécessaire les effets de la violation de CP dans les désintégrations de mésons charmés. Les derniers résultats indiquent que les durées de vie des particules D0 et D0, mesurées avant que celles-ci se désintègrent en pions ou en kaons, correspondent encore l’une à l’autre, ce qui signifie que tout effet de violation de CP existant doit effectivement être d’un niveau très faible.

LHCb attend toutefois encore beaucoup de données et d’analyses, et est impatiente de chercher encore plus profondément une possible violation de CP dans le secteur du charme, afin de mettre la main sur l'antimatière manquante de l’Univers. « Les capacités uniques de notre expérience et l’énorme taux de production de mésons charmés au LHC nous permettent de réaliser des mesures d’une sensibilité bien supérieure à celle des machines précédentes, explique Guy Wilkinson, porte-parole de la collaboration LHCb. La Nature nous oblige toutefois à aller chercher encore plus loin pour découvrir un effet. Nous sommes convaincus qu’avec les données qui vont encore arriver, nous pourront relever ce défi », conclut-il.

Pour en savoir plus, consultez le site web de LHCb.