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Des signes de la supersymétrie dans les mésons B ?

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Le LHC est en principe l'outil idéal pour explorer la physique au-delà du modèle standard. On en a peut-être déjà un aperçu depuis quelque temps grâce à la physique des mésons B. La collaboration Belle travaillant dans le cadre du High Energy Accelerator Research organization (KEK) à Tsukuba au Japon vient en effet de publier des résultats qui ne s'expliquent pas dans le cadre du modèle standard. La supersymétrie pourrait être une explication...

La courbe qui s'ajuste le mieux aux observations de Belle (en pointillé) n'est pas conforme à celle du modèle standard (en ligne pleine). Cette différence provient peut-être de l'existence de particules supersymétriques. Crédit : High Energy Accelerator Research organization (KEK)

L'une des extensions les plus séduisantes et les plus convaincantes du modèle standard de la physique des particules élémentaires fait appel à la notion de supersymétrie. De même que les nombres complexes sont des extensions des nombres réels et qu'ils multiplient la puissance des outils mathématiques utilisés en géométrie et en analyse infinitésimale dans le plan, il existe des généralisations des vecteurs de l'espace lorsque l'on se place dans le cadre de l'espace-temps. De la même façon que les nombres complexes fusionnent les opérations de symétries dans le plan que sont les rotations, les translations et les dilatations, les théories dites de supersymétrie utilisent des sortes de nombres hypercomplexes permettant d'unifier en profondeur des propriétés des champs quantiques relativistes et de disposer dans ce cadre de puissantes méthodes de calculs.

Ces théories conduisent à ajouter à chaque particule du modèle standard un partenaire supersymétrique plus lourd qu'elle et qui peut donc participer de façon discrète à des réactions entre particules connues du modèle standard.

Une réaction très étudiée au KEKB, celle de la désintégration d'un méson B en paires de leptons (électron ou muon) et un méson K* excité formé d'un quark étrange (s) et d'un antiquark u. Crédit : High Energy Accelerator Research organization (KEK)

Si cette théorie est correcte, il existe des fenêtres d'observations à travers lesquelles on peut plus facilement voir la supersymétrie en action. C'est le cas avec la physique des mésons B, des mésons possédant au moins un quark b, ou « beau ». Ce quark a été postulé par les physiciens japonais prix de Nobel de physique 2008 Kobayashi et Maskawa afin de décrire le phénomène de la violation CP entre matière et antimatière. Le Tevatron du Fermilab avait déjà montré l'année dernière que quelque chose d'anormal du point de vue du modèle standard se produisait bien au niveau de la violation CP avec les mésons B. La supersymétrie avait déjà été invoquée comme explication mais sans preuve décisive.

Il y a quelques semaines, les collègues japonais de Kobayashi et Maskawa ont publié les résultats d'études effectuées avec le détecteur Belle équipant l'accélérateur KEKB à Tsukuba au Japon. L'accélérateur lui-même est un collisionneur à électrons-positrons, dédié à la production de mésons B. Cette véritable usine à mésons B génère des produits de désintégrations étudiés avec Belle dans le cadre d'une collaboration internationale comportant près de 400 chercheurs.

Les Penguin diagrams, – mal – traduit par diagrammes pingouin, tirent leur nom de la forme d'un manchot (penguin en anglais) qu'ils sont censés styliser. Ce sont des diagrammes de Feynman représentant des réactions particulières, mettant en jeu des quarks « beau » (b) dans les mésons B. Sur celui du haut, on voit des quarks étranges (s) et top (t). La réaction produit ici deux mésons K, des hadrons. Crédit : Berkeley Lab

Belle met le modèle standard en défaut

Plus de 800 millions d'événements avec production de paires de méson B et antiméson B ont déjà été enregistrés et une analyse des produits de désintégrations des mésons B en paires de leptons (électron ou muons) avec un méson K excité, K*, semble échapper aux prédictions du modèle standard lorsque l'on considère une quantité définie comme l'asymétrie avant-arrière.

Or, il se trouve que les calculs faisant intervenir ce qu'on appelle des diagrammes de Feynman pingouin sont bien connus et étudiés depuis longtemps. Ces diagrammes donnent les probabilités des réactions faisant intervenir des combinaisons de particules comme par exemple les quarks b (beau) et t (top) ou encore les bosons Z et W du modèle électrofaible.

La supersymétrie ajoute de nouveaux diagrammes pingouin en faisant intervenir les superpartenaires des particules du modèle standard et au final, certains taux de réactions sont changés.

Un diagramme pingouin peut se transformer en superdiagramme pingouin. Des particules supersymétriques, repérées ici par des tildes sur les lettres qui les désignent, y interviennent, à la place de certaines particules du modèle standard. Crédit : SLAC National Accelerator Laboratory

Les observations de Belle montrent que les réactions avec paires de particules émises selon une droite penchée vers l'avant ou vers l'arrière du faisceau de mésons B initiale ne sont pas les mêmes avec un taux non prédit par le modèle standard mais qui pourrait s'expliquer avec la supersymétrie. C'est encourageant mais le nombre d'événements enregistrés lié spécifiquement à cet effet rarissime est encore trop faible pour que l'on puisse en tirer une preuve convaincante en faveur de la supersymétrie.

Les observations vont donc se poursuivre. Pour la petite histoire, si vous vous demandez comment diable le nom de « penguin » a pu être donné à un diagramme de Feynman, l'explication a été fournie récemment par l'auteur du forfait.

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