L’expérience ALICE auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a réalisé une mesure précise de la différence entre les rapports masse sur charge électrique de noyaux légers et des antinoyaux correspondants. Ce résultat, publié aujourd’hui dans Nature Physics (10.1038/nphys3432), confirme une symétrie fondamentale de la nature avec une précision inédite pour des noyaux légers. Ces mesures reposent sur la capacité de l’expérience ALICE de suivre et d’identifier les particules produites dans les collisions d’ions lourds à haute énergie au LHC.
La collaboration ALICE a mesuré la différence entre les rapports masse sur charge pour les deutons (constitués d’un proton, c’est-à-dire un noyau d‘hydrogène, et d’un neutron) et les antideutons, ainsi que pour les noyaux d’hélium-3 (deux protons plus un neutron) et d’antihélium-3. Des mesures effectuées au CERN, dont les plus récentes sont celles de l’expérience BASE, ont déjà comparé avec une très grande précision les mêmes propriétés s’agissant des protons et des antiprotons. L’étude effectuée par ALICE pousse cette recherche plus loin en s’intéressant aux possibles différences subtiles dans la façon dont les protons et les neutrons se lient ensemble dans les noyaux, par rapport à ce qui se passe pour les antiparticules correspondantes dans les antinoyaux.
« Les mesures effectuées par ALICE et par BASE ont eu lieu aux énergies les plus élevées et les plus faibles disponibles au CERN, respectivement au LHC et au Décélérateur d'antiprotons, a souligné le Directeur général du CERN, Rolf Heuer. C’est une parfaite illustration de la diversité du programme de recherche du Laboratoire. »
La mesure effectuée par ALICE, comparant les rapports masse sur charge entre deutons et antideutons ainsi qu'entre hélium-3 et antihélium-3, confirme la symétrie fondamentale dite CPT entre ces noyaux légers. L’existence de cette symétrie dans la nature signifie que l’ensemble des lois de la physique resteraient identiques dans l'hypothèse où seraient inversés, simultanément, trois éléments : la charge (conjugaison de charges C), les coordonnées spatiales (transformation de parité P) et le temps (T). Ce nouveau résultat, venant 50 ans exactement après la découverte de l’antideuton au CERN et aux États-Unis, améliore les mesures existantes d'un facteur de 10 à 100.
L’expérience ALICE enregistre des collisions à haute énergie d’ions plomb au LHC, ce qui lui permet d’étudier la matière dans des conditions de température et de densité extrêmement élevées. Les collisions d’ions plomb sont une source abondante de particules et d’antiparticules ; noyaux et antinoyaux correspondants sont produits en quantités presque égales. Cette production permet à ALICE de procéder à une comparaison détaillée des propriétés des noyaux et des antinoyaux produits le plus abondamment. L’expérience réalise des mesures précises de la courbure des traces de particules déviées par le champ magnétique du détecteur ainsi que du temps de vol de ces particules ; ces informations permettent de déterminer les rapports masse sur charge des noyaux et des antinoyaux.
« La haute précision de notre détecteur de temps de vol, qui peut déterminer le temps d'arrivée des particules et des antiparticules avec une résolution de 80 picosecondes, associée à la mesure de perte d’énergie réalisée par notre chambre à projection temporelle, nous permet de mesurer un signal clair pour les deutons et les antideutons, et aussi pour l’hélium-3 et l’antihélium-3, sur une large gamme de valeurs d’impulsion », explique Paolo Giubellino, porte-parole d’ALICE.
Les différences mesurées entre les rapports masse sur charge sont compatibles avec la valeur zéro, compte tenu des incertitudes estimatives, ce qui correspond aux prédictions relatives à la symétrie CPT. Ces mesures, tout comme celles qui comparent les protons et les antiprotons, pourraient fixer de nouvelles contraintes aux théories dépassant le Modèle standard, qui rend compte actuellement des particules et des forces par lesquelles elles interagissent.