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25/03/2008

Vers une nouvelle physique ?


Les mésons B nous apportent-ils une nouvelle physique ?
Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

Une asymétrie dans le comportement de certains intriguent les physiciens. Selon certains, la violation de la symétrie CP observée avec ceux-ci n’est pas compatible avec les équations du modèle standard. Une nouvelle physique devrait intervenir, comme de la supersymétrie ou des dimensions spatiales supplémentaires, et elle serait donc observée pour la première fois en accélérateur.

La large prédominance de la matière sur l’antimatière dans l’Univers est une des grandes énigmes de la cosmologie. Pourtant, les physiciens ont avancé plusieurs réponses possibles dont l’une fait intervenir ce qu’on appelle la violation CP. Observée depuis les années 1960 dans l’oscillation des mésons K, elle est aujourd'hui traquée dans les produits de désintégration des mésons B comportant au moins un quark dit beau.

Selon la théorie de la chromodynamique quantique, les hadrons, comme les protons et les mésons, sont composés de six types de quarks qui peuvent se transformer les uns dans les autres, à cause de l’interaction électrofaible, selon des probabilités données. L’information codant quel quark peut se transformer en tel autre, et selon quelle fréquence, se trouve dans un tableau de nombres à trois lignes et trois colonnes, la matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM).

Cette matrice possède plusieurs paramètres libres qui ne sont pas prédits par le modèle standard des interactions mais celui-ci leur impose tout de même des bornes et leurs valeurs ne sont donc pas totalement arbitraires. En particulier, la matrice CKM autorise certains mésons à se désintégrer en d’autres particules d'une manière légèrement différente de celle de leur anti-méson associé.

Le phénomène est particulièrement net dans le cas de certains mésons qui oscillent à une certaine fréquence pour se transformer en un autre bien défini, qui à son tour redeviendra à nouveau le méson d’origine. Le phénomène a été observé dans l’oscillation des mésons K0-K0barre dont l’un est l’anti-méson de l’autre. Surtout, il est beaucoup plus important dans le cas des mésons B.

Pour cette raison, de véritables usines à mésons B ont été construites car, en étudiant la violation CP, on espérait en apprendre davantage sur une nouvelle physique, au-delà du modèle standard, qui, elle, fixerait les valeurs des paramètres libres de la matrice CKM.

Or, on savait que si le modèle expliquant l’asymétrie matière-anti-matière de notre Univers était bien celui faisant intervenir la violation CP, celle obtenue dans le cadre du modèle standard avec la matrice CKM était bien trop faible pour rendre compte des observations. Voilà pourquoi les résultats qui viennent d'être annoncés par une équipe française, italienne et suisse sont particulièrement intéressants.


Figure 1. Oscillations entre quarks au sein d'un méson Bs. Les anti-particules sont signalées par une barre au-dessus de leur lettre. Par échange de bosons, les quarks s (étranges) deviennent des t (top) puis des b (beaux). Les oscillations des deux quarks étant liées, le méson Bs devient un anti-Bs. Crédit : Fermilab

Une différence trop grande entre matière et anti-matière

Luca Silvestrini et ses collègues ont combiné les résultats obtenus au cours des dernières années par les expériences CDF et DØ du Fermilab. Ils se sont concentrés sur une paire de mésons B neutres bien particulière, les mésons Bs, composés d’un anti-quark beau et d’un quark étrange, noté s (pour strange en anglais). Ceux-ci oscillent en leur anti-particule, composée d’un quark beau et d’un anti-quark étrange, plus de trois mille milliards de fois chaque seconde.

Comme on peut le voir sur la figure 1, l’un des quarks ou anti-quarks peut se transformer en un quark ou un anti-quark top en émettant un boson W (vecteur de l’interaction faible), puis par absorption d'un W, redevenir un quark beau ou étrange.

Ces oscillations entre matière et antimatière sont responsables d’effets violant la symétrie CP dans les produits de désintégration. En clair, un peu plus de matière que d’antimatière (ou vice versa) est produite avec des nombres égaux de méson Bs et d’anti-mésons Bs initiaux. Ce que les analyses de l’équipe montrent, c’est que l’asymétrie obtenue dépasse les bornes autorisées par la matrice CKM !

Les cas enregistrés sont encore trop peu nombreux pour conclure que l’effet observé n’est pas une simple fluctuation statistique due au hasard. Les physiciens restent donc prudents mais, selon eux, le phénomène observé avait seulement 0,3 % de chance d’être un effet du hasard.

L’excitation monte... Nous sommes peut-être en présence d’un effet de violation CP qui, cette fois, aurait contribué de manière importante à la victoire de la matière sur l’anti-matière au début de l’Univers. De surcroît, on tiendrait là le premier signe concret de nouveaux termes dans les équations de la physique des particules qui ne sont pas naturellement contenus dans le modèle standard. En particulier, des particules supersymétriques pourraient jouer le rôle des bosons W et des quarks top en contribuant à modifier ce qui se passe dans les oscillations et les désintégrations des mésons B.

Une équipe japonaise travaillant sur la collaboration Belle vient elle aussi de publier les résultats d’études sur les oscillations des mésons B dans Nature et elle trouve à nouveau une violation CP plus importante que ne le permet le modèle standard. Tout ceci est de bon augure car ces observations signifient que les chances d’aboutir à une nouvelle physique grâce au LHC sont en train d’augmenter !

Vue aérienne du Fermilab montrant le Tevatron et le MI (Main Injector). Crédit : Fermilab
Vue aérienne du Fermilab montrant le Tevatron et le MI (Main Injector). Crédit : Fermilab