La collaboration ATLAS auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) a publié une nouvelle mesure de haute précision de la durée de vie du méson de beauté neutre (B⁰) – un hadron composé d'un antiquark b et d'un quark d.

Les mésons de beauté sont composés de deux quarks, dont l'un est un quark b. Au cours des dernières décennies, l'étude des mésons de beauté a permis aux physiciens d'examiner des phénomènes rares et prédits avec exactitude afin de mieux comprendre les interactions portées par la force faible, ainsi que la dynamique des états liés des quarks lourds. La mesure précise de la durée de vie du méson B⁰, autrement dit le temps moyen d’existence du méson B⁰ avant sa désintégration en d'autres particules, est d'une importance cruciale dans ce contexte.

Dans sa nouvelle étude, ATLAS a analysé la désintégration du méson B⁰ en un kaon neutre excité (K*⁰) et en un méson J/ψ, puis la désintégration du méson J/ψ en une paire de muons et la désintégration du kaon neutre excité en un pion chargé et en un kaon chargé. L'analyse s’appuyait sur les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS pendant la deuxième période d’exploitation du LHC (2015-2018), soit 140 femtobarns inverses de données (1 femtobarn inverse correspondant à environ 100 000 milliards de collisions proton-proton) – un chiffre impressionnant.

Les scientifiques d'ATLAS ont établi la durée de vie du méson B⁰ à 1,5053 picoseconde (une picoseconde – ps – correspondant à un millionième de millionième – 10^-12 – de seconde), avec une incertitude statistique de 0,0012 ps et une incertitude systématique de 0,0035 ps. Ce résultat, le plus précis à ce jour, améliore considérablement les mesures précédentes, y compris un précédent résultat d’ATLAS (voir l’illustration ci-dessous).

Pour atteindre une telle précision, l’équipe d’ATLAS a surmonté de nombreuses difficultés expérimentales. Elle a notamment dû limiter le plus possible les incertitudes systématiques, réaliser une modélisation d’une grande précision et améliorer l’alignement des détecteurs.

Outre la durée de vie du méson B⁰, l'équipe a mesuré sa largeur de désintégration. La largeur est un paramètre fondamental de toute particule instable dont la durée de vie est limitée. Plus la durée de vie est courte, plus la largeur de désintégration est grande – conséquence directe du principe d'incertitude d’Heisenberg en mécanique quantique. La largeur de désintégration du méson B⁰ a été établie à 0,664 picoseconde inverse (ps^-1), avec une incertitude totale de 0,004 ps^-1.

Les scientifiques ont ensuite comparé ce résultat à une mesure précédente de la largeur de désintégration du méson B_s⁰ (composé d'un quark b et d'un quark étrange). Ils ont constaté que le rapport des largeurs de désintégration concordait avec l'unité, ce qui montre que ces deux valeurs sont proches. Ces résultats concordent avec les prédictions du modèle des quarks lourds et pourront être utilisés pour affiner celles-ci.

Les nouvelles mesures de précision d'ATLAS améliorent la compréhension, selon le Modèle standard, des désintégrations faisant intervenir la force faible, et apportent de précieux éléments pour les développements théoriques futurs.