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Une étrange asymétrie matière-antimatière au Fermilab

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Il est encore trop tôt pour parler de découverte mais le phénomène intrigue. Les observations accumulées depuis des années par les chercheurs du Tevatron avec le détecteur D0 montrent un écart significatif entre les prédictions du modèle standard et les résultats observés lors de la désintégration des mésons B, violant la symétrie CP. Il pourrait s'agir d'un indice de plus pour expliquer le manque d'antimatière dans l'Univers.

Le modèle standard des particules élémentaires autorise la violation CP avec une certaine amplitude. La théorie prédit certains phénomènes violant la symétrie CP et l'une de ces prédictions est représentée par un point sur ce diagramme. Les expériences indiquent que l'effet est très probablement dans le domaine en bleu sur le schéma. Le désaccord est net. Crédit : DZero

La violation CP a été observée depuis longtemps dans les désintégrations asymétriques en particules de matière et d'antimatière, l'une des deux dominant l'autre, lors d'expériences en accélérateurs. L'un de ses découvreurs au cours de l'année 1964, le prix Nobel de physique James Cronin, a d'ailleurs partagé ses souvenirs à ce sujet à l'occasion des 50 ans du Proton Synchrotron au Cern en décembre 2009.

Généralement, lors d'une expérience en physique, on s'attend à ce que la même expérience, image d'une autre dans un miroir et avec le signe des charges des particules inversé, donne les mêmes résultats.

Ainsi, si l'on considère le courant circulant dans une bobine, son image dans un miroir donnera un courant circulant dans le sens inverse. Dans les deux cas, deux champs magnétiques parallèles sont générés mais de directions opposées. Prendre l'image dans un miroir d'un système physique revient à lui faire subir ce qu'on appelle une opération de parité, notée P.

Si l'on change le signe des charges du courant dans la seconde bobine, image de la première par l'opération P, le champ magnétique généré est cette fois-ci dans la même direction. Cela s'appelle prendre la conjugaison de charge C. L'expérience est donc invariante par symétrie CP.

De même, une charge en mouvement dans un champ magnétique voit sa trajectoire s'incurver dans des directions opposées selon que l'on change le signe de sa charge ou la direction du champ magnétique. Là encore, faire subir au système les deux opérations à la fois conduit à un résultat physique inchangé.

Cliquer pour agrandir. Au Fermilab, on fait entrer en collisions protons et antiprotons dans une zone où règne un champ magnétique à l'intérieur du détecteur Dzero. Certaines réactions se produisent dont les produits sont des muons chargés négativement et des antimuons de charges opposées. Le décompte de certains taux de production de ces particules selon des conditions particulières montre une asymétrie. Matière et antimatière ne sont pas produites à égalité pour certaines réactions. Crédit : Fermilab

Pourtant, il existe des réactions de productions de particules élémentaires dans des collisions qui violent cette symétrie CP. On s'intéresse beaucoup à ce genre de violation car on pense qu'elle peut être une fenêtre sur une nouvelle physique, au-delà du modèle standard. Surtout, des violations CP plus fortes, intervenant à des énergies pour le moment inatteignables en accélérateurs, et relevant de cette nouvelle physique, pourraient permettre d'expliquer pourquoi il n'y a quasiment pas d'antimatière dans l'Univers observable. En effet, la théorie standard prédit que particules et antiparticules auraient dû être créées en nombre égal lors du Big Bang.

Les physiciens du Tevatron au Fermilab enregistrent donc depuis des années les résultats des collisions entre protons et antiprotons, à l'affût de ces processus de violation CP. Certaines particules instables, les mésons B (appelés ainsi parce qu'ils contiennent un quark ou un antiquark dit b, pour beauté), sont particulièrement adaptées à cette étude car le phénomène de violation CP y est particulièrement fort.

Or justement, les chercheurs de la collaboration D0, dite encore DZero, du nom de l'un des principaux détecteurs équipant le Tevatron, viennent de publier le résultat d'années de production des ces mésons B avec l'analyse des produits de désintégrations. Ils sont très intrigués...

Les mésons B peuvent se désintégrer en différentes particules, dont notamment des muons stables. Dans les bilans des muons et des antimuons produits par ces désintégrations, apparaît une violation des prédictions du modèle standard. L'écart est dit de 3,2 sigma dans le langage des physiciens, ce qui veut dire en gros qu'il commence à être difficile à croire que l'effet ne soit pas réel et provienne seulement de fluctuations statistiques aléatoires dans les conditions des expériences.

Pour conclure à une vraie découverte, il faudrait atteindre un écart plus important, au moins 5 sigma. Les réactions sont donc partagées dans la blogosphère scientifique, ce ne serait pas la première fois qu'un effet légèrement au-dessus de 3 sigmas se révèle par la suite insignifiant. Mais, clairement, un seuil a été franchi, qui rend l'investigation du phénomène encore plus pressante.