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Posté par Adrien le Vendredi 03/02/2017 à 00:00
Une nouvelle source d'asymétrie entre matière et antimatière
L'expérience LHCb a trouvé des traces de ce qui pourrait être un nouvel indice dans le cadre du mystère de l'antimatière manquante dans l'Univers. Les scientifiques ont observé des signes intrigants d'un phénomène connu comme la violation de CP (charge-parité) dans des particules appelées baryons - une famille de particules dont les membres les plus célèbres sont les protons et les neutrons, qui composent l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).


La caverne expérimentale de l'expérience LHCb. (Photo: Maximilien Brice/CERN)

L'hypothèse selon laquelle les baryons de matière se comportent exactement comme leurs équivalents d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe...) est liée à l'idée de la symétrie CP (En physique des particules, une théorie possède la symétrie CP si elle est invariante sous une transformation simultanée de conjugaison de charge, qui échange particules et antiparticules, et une inversion...). Toute violation de cette symétrie signifierait que les lois de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) ne sont pas les mêmes pour les particules de matière et pour celles d'antimatière. 

Il s'agit d'un élément important ; en effet, une compréhension précise de la façon dont cette symétrie est violée dans la nature contribuerait à expliquer l'immense excès de matière, par rapport à l'antimatière, observé dans notre Univers, malgré le fait que, lors du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que...), la matière et l'antimatière auraient dû être créées dans des quantités égales.

Le Modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs...) prédit l'existence d'une violation de CP de faible ampleur également dans le secteur des baryons. Or, même si les processus de violation de CP sont étudiés depuis plus de 50 ans, aucun effet significatif n'avait été observé avec des particules baryoniques. De plus, la violation de CP décrite dans le Modèle standard n'est pas suffisamment importante pour expliquer le déséquilibre bien plus grand qui existe entre matière et antimatière. D'autres sources de violation de CP doivent par conséquent y contribuer, et l'un des objectifs principaux de LHCb est précisément de chercher de nouvelles sources de violation de CP.

Le nouveau résultat de LHCb est basé sur une analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner les liens pouvant exister entre les...) enregistrées pendant les trois premières années d'exploitation du Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons (LHC). Parmi toutes les particules à courte durée de vie (La vie est le nom donné :) pouvant être créées lors d'une collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) proton-proton, la collaboration a comparé le comportement du baryon (Un baryon est, en physique des particules, une catégorie de particules, dont les représentants les plus connus sont le proton et le neutron. Le terme « baryon »...) ?b^0 et de son équivalent dans l'antimatière, le ?b^0-bar, lorsqu'ils se désintègrent en un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) (ou un antiproton) et en trois particules chargées appelées pions. Ce processus est extrêmement rare et n'avait jamais été observé auparavant. Le taux de production élevé de ces baryons dans le LHC et les capacités spécialisées du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) LHCb ont permis à la collaboration de récolter un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) pur d'environ 6 000 de ces désintégrations.

La collaboration LHCb a comparé la répartition des quatre produits de désintégration des baryons ?b^0 et ?b^0-bar, et a calculé les quantités spécifiques sensibles à la symétrie de CP. Toute différence ou asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) significative entre ces quantités pour la matière et pour l'antimatière serait une manifestation d'une violation de CP. 

Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de LHCb ont révélé un niveau conséquent d'asymétries, dans ces quantités sensibles à la violation de CP, entre les désintégrations des baryons ?b^0 et ?b^0-bar, les différences atteignant dans certains cas 20 %. 

Dans l'ensemble, la signification statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de...) (le nom donné par les physiciens à la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet...) qu'un résultat ne soit pas le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme le...) du hasard) est au niveau de 3,3 déviations standard ; on parle de découverte lorsque cette valeur atteint 5 déviations standard. Ces résultats, publiés lundi 30 janvier dans la revue Nature Physics, seront mis à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...) prochainement, avec l'analyse des données, plus nombreuses, enregistrées pendant la deuxième exploitation du LHC. Si cet indice préliminaire d'une violation de CP apparaît à nouveau, dans cet échantillon plus grand, avec une signification statistique plus élevée, le résultat constituera un jalon important dans l'étude de la violation de CP.

Pour en savoir plus : LHCb website et LHCb collaboration 2017 Nature Physics DOI: 10.1038/nphys4021 (en anglais).

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Source: Stefania Pandolfi - Copyright CERN