Les membres de la collaboration LHCb devant le détecteur du Cern. © Cern-Maximilien Brice-Rachel Barbier

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LHC : peut-être de la nouvelle physique grâce au détecteur LHCb...

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LHCb est l'un des quatre grands détecteurs du LHC, conçu pour traquer la violation CP dans les mésons B, avec l'espoir d'y trouver des indices d'une nouvelle physique permettant de comprendre l'énigme de l'antimatière cosmologique. Il vient peut-être d'en découvrir avec des mésons charmés...

Jusqu'à présent, les résultats obtenus avec les collisions de protons au LHC sont particulièrement décevants. Toujours aucune trace des particules supersymétriques, de minitrous noirs en train de s'évaporer et il devient hautement probable maintenant que nous n'en verrons pas. Le boson de Higgs ne pointe toujours pas le bout de son nez dans des détecteurs comme Atlas ou CMS, mais ce n'est en revanche guère surprenant car on pouvait s'attendre à ce qu'il soit difficile à détecter. 

Certes, ces résultats négatifs sont en soi une information précieuse car ils indiquent ce que la structure physique du monde n'est pas. Mais si des signes d'une physique basée sur des dimensions spatiales supplémentaires ou de la supersymétrie étaient apparus, cela aurait été comme la découverte de l'Amérique. Un nouveau monde avec une flore et une faune d'une grande richesse se serait ouvert à nous. Pour le moment, on ne voit malheureusement que de la physique vieille de quarante ans au moins et tout se passe comme si l'on découvrait certes de nouveaux territoires mais qui seraient, plutôt que la jungle du Yucatan, la banquise arctique...

Peut-être pas complètement si l'on en croit une annonce présentée comme très préliminaire par un des membres de la collaboration LHCb lors d'un séminaire du Hadron Collider Physics Symposium 2011 (HCP) qui se tient en ce moment à Paris.

Cette grande conférence est l'occasion de faire le point sur la physique des collisions de protons au LHC ainsi que sur les derniers résultats des collisions de protons et d'antiprotons au Tevatron avant sa fermeture définitive. On en attend par exemple la présentation des recherches combinées du LHC et du Tevatron concernant la masse du boson de Higgs qui semble bel et bien plus légère que 140 GeV environ comme beaucoup le pensaient.


L'expérience LHCb et l'énigme de l'asymétrie matière-antimatière. Pour voir les sous-titres en français, cliquer sur CC dans la barre en bas de la vidéo. © CernTV-YouTube

Mais qu’a mesuré LHCb ? 

Rappelons tout d'abord que ce détecteur a principalement été conçu pour étudier les désintégrations des mésons B, des hadrons contenant au moins un quark « beau » ou son antiquark. Ces particules constituent une des plus remarquables opportunités que l'univers met à notre disposition pour étudier la violation de la symétrie CP découverte par le prix Nobel James Cronin en 1964 avec son collègue Val Fitch. La violation CP est un ingrédient fondamental de presque tous les scénarios tentant de résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique.

Si l'ampleur de la violation CP accessible aux énergies du LHC est insuffisante pour expliquer pourquoi l'univers observable contient presque exclusivement de la matière et seulement transitoirement d'infimes quantités d'antimatière créées dans des processus astrophysiques, on peut espérer avoir des informations sur celle qui a dû se produire à plus hautes énergies.

Le charme contre la beauté

Le modèle standard contient en lui-même la possibilité de cette violation CP et permet même d'en rendre compte en partie. Ainsi, la QCD, la chromodynamique quantique, prédit une très faible violation CP avec des mésons contenant non pas un quark b mais un quark c dit « charmé ». Les membres de la collaboration LHCb peuvent aussi étudier la désintégration des mésons D qui sont l'équivalent des mésons B mais avec ces quarks c.

La surprise est venue de la découverte que ces mésons D semblent se désintégrer parfois en violant la symétrie CP de façon bien plus importante que celle prédite par le modèle standard. Dans le jargon des physiciens, l'écart entre les mesures et les prédictions est de 3,4 sigma, ce qui veut dire deux choses : on peut croire qu'il ne s'agit pas d'une fluctuation statistique dans le signal enregistré par la chaîne de mesure des appareils du détecteur, et on n'a pas encore découvert de la nouvelle physique.

Le calcul de la violation CP avec des mésons D est délicat et il pourrait s'agir d'une simple erreur à ce niveau-là. Les théoriciens sont perplexes car si la physique des mésons B avec violation CP a été intensément explorée dans le cadre de théories au-delà du modèle standard, il ne semble pas exister beaucoup d'interprétations possibles du même type avec les mésons D qui seraient susceptibles d'expliquer le phénomène observé... si celui-ci est réel bien évidemment.

Difficile de dire ce qui va arriver dans les prochains mois mais cela ne serait malheureusement pas la première fois que des signaux au-dessus de 3 sigma se révèlent finalement être de simples fluctuations statistiques mal interprétées.

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