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Expérience LHCb : un nouveau type d’asymétrie entre matière et antimatière pour les mésons beaux étranges

Une différence de comportement entre matière et antimatière lors de la désintégration des particules Bs0 en kaons chargés a été mise en évidence par la collaboration LHCb

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Illustration of time-dependent CP violation
Une transformation par la symétrie de CP échange une particule avec l'image dans un miroir de son antiparticule. LHCb a observé que la brisure de cette symétrie varie en fonction du temps dans les désintégrations de mésons b étranges oscillant en leurs homologues d’antimatière (l'oscillation est illustrée par le mouvement du pendule). (Image: CERN)

La prédominance de la matière sur l’antimatière dans l’Univers est l'une des grandes énigmes de la physique. L’excédent de matière suppose une différence de comportements entre les particules de matière et celles d'antimatière. Cette différence, ou asymétrie, appelée violation de la symétrie CP (charge-parité), constitue un aspect fondamental du Modèle standard de la physique des particules. Toutefois, l’ampleur de la violation de CP décrite dans le Modèle standard et observée jusqu'ici dans les expériences ne suffit pas à expliquer le déséquilibre entre matière et antimatière dans l'Univers. Il doit donc exister d’autres manifestations et d'autres sources, encore inconnues, de ce phénomène.

Lors de la dix-neuvième conférence sur les particules de beauté tenue le mois dernier et dans un séminaire récemment tenu au CERN, la collaboration LHCb a rapporté la première observation d’un phénomène appelé asymétrie matière-antimatière variant en fonction du temps, dans des particules appelées mésons Bs0 constituées d'un antiquark b (« beauté ») et d'un quark s ( « étrange »).

La violation de la symétrie CP a été observée pour la première fois il y a plus de cinquante ans dans des particules appelées mésons K0. Depuis, elle a été observée dans d'autres particules : en 2001, des mésons B0 dans des expériences menées auprès de l'Accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) aux États-Unis et auprès de l'Accélérateur des hautes énergies de Tsukuba (KEK) au Japon, et, plus récemment, des mésons D0, par la collaboration LHCb. La violation de CP peut se manifester sous deux formes : une forme intégrée sur la durée et une forme variant en fonction du temps (variation temporelle). Dans le cas de la violation de CP intégrée sur la durée, le nombre de désintégrations d'une particule en certaines particules est différent du nombre des désintégrations correspondantes de son antiparticule. Dans le cas de la violation de CP variant en fonction du temps, l’amplitude de la violation varie avec la durée de vie en raison des oscillations spontanées d'une particule en son antiparticule et réciproquement.

La nouvelle analyse de LHCb apporte la première observation de la variation de la violation de CP en fonction du temps pour des mésons Bs0 se désintégrant en mésons K chargés. Ce résultat a été obtenu en cumulant les données des deux premières périodes d'exploitation du Grand collisionneur de hadrons et atteint une signification statistique de 6,7 écarts-types, soit plus que le seuil de 5 écarts-types qui permet de revendiquer une observation en physique des particules.

Comme l’explique Chris Parkes, porte-parole de LHCb : « Les mésons Bs0 oscillent entre particule et antiparticule 3 000 milliards de fois par seconde, mais l'excellente résolution de notre détecteur permet d'observer les effets de ces oscillations. Notre observation de la variation temporelle de la violation de CP pour les mésons Bs0 représente un jalon important dans l'étude de l'asymétrie entre matière et antimatière et complète notre précédente observation de la violation de CP intégrée sur la durée chez ces mêmes mésons ».

La prochaine étape sera de comparer cette mesure avec d'autres mesures de violation de CP et avec les prédictions du Modèle standard et de théories au-delà du Modèle standard. Ce n’est qu’après avoir effectué ces comparaisons que les chercheurs pourront dire si ces nouvelles mesures recèlent des surprises qui pourraient contribuer à expliquer la prédominance de la matière sur l'antimatière dans notre Univers.

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Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site web de l'expérience LHCb.