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SLAC : première observation de l'état fondamental du méson bottomium

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Alors que la mise en route du LHC est imminente, les physiciens de la collaboration internationale Babar au SLAC en Californie viennent d'observer pour la première fois l'état fondamental d'un « atome de quarks » célèbre, le méson bottomium.

Quelques-uns des nombreux membres de la collaboration Babar : Chris West, Peter Kim, Silke Nelson, Véronique Ziegle, Philippe Grenier. Crédit : SLAC

Les mésons sont des hadrons formés de seulement deux types quarks parmi les 6 existants dans la nature. Lorsqu'ils sont constitués d'un quark et d'un anti-quark du même type, on parle de quarkonium.

Tout comme les atomes, les mésons peuvent exister sous forme d'état excités et former des familles de quarkoniums. Les plus célèbres sont le charmonium, composé de mésons charmés et le bottomium, formé de quarks beaux ou encore bottom (bas en anglais). La famille du bottomium a été découverte en 1977 par l'équipe du Fermilab dirigé par le prix Nobel Lederman. Alors que l'état fondamental des autres quarkonia avait déjà été observé, ce n'était pas le cas du bottomium jusqu'à aujourd'hui, dont on connaissait surtout les états excités.

La collaboration Babar regroupe près de 500 physiciens et ingénieurs dans le monde et tous travaillent directement ou indirectement avec le détecteur Babar installé au Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). En poussant la machine à ses limites et en bénéficiant de la grande luminosité de l'accélérateur d'électrons et de positrons PEP II, ses membres viennent de produire suffisamment de bottomium pour observer enfin l'état fondamental du bottomium. Il est produit par une désintégration d'un de ses états excités, avec émission d'un photon gamma comme le ferait un atome d'hydrogène excité sur son premier niveau et émettant un photon dans l'utraviolet.

Plus de cent millions d'événements pour traquer le bottomium

La détection a été particulièrement difficile car l'état excité, connu sous le nom de méson Upsilon (3S), se désintégrait aussi bien en particule etab, l'état fondamental du bottomium, qu'en Upsilon(1S) un état excité différant très peu en masse de la particule etab. Comme de plus, la désintégration de l'Upsilon (3S) en etab se produisait  en moyenne une fois pour 2.000 à 3.000 désintégrations de cette particule, il a fallu observé plus de cent millions de désintégrations avec le détecteur Babar.

Les résultats obtenus devraient aider les physiciens à comprendre la physique de l'interaction forte entre les quarks et probablement aussi la mystérieuse violation CP intervenant dans l'asymétrie matière-antimatière observée dans l'Univers.