Une surprise au goût de charmonium à LHCb

Publié par Adrien le 20/09/2017 à 00:00
Source: Corinne Pralavorio - Copyright CERN
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L'expérience LHCb au CERN a publié le 13 septembre une mesure des masses de deux particules, d'une précision sans précédent auprès d'un collisionneur d'hadrons. Jusqu'à présent, l'étude précise de ces particules " charmonium ", des sources très précieuses d'informations sur le monde subatomique, exigeait des expériences construites spécialement dans ce but.


La caverne expérimentale de LHCb. (Image: Maximilien Brice/CERN)

Avec ce résultat, la collaboration LHCb ouvre une nouvelle voie, en montrant qu'il est possible de réaliser des mesures de précision des particules charmonium auprès de collisionneurs d'hadrons ; c'est une perspective inattendue pour la communauté de la physique ", explique Giovanni Passaleva, porte-parole de la collaboration LHCb. En effet, ce type de mesure semblait impossible il y a peu.

Les deux particules, cc1 et cc2, sont des états excités d'une particule mieux connue appelée J/y. Un état excité est une particule dont l'énergie interne (c'est-à-dire la masse) est plus élevée que la configuration minimale absolue permise. Le méson J/y et ses états excités, appelés aussi charmonium, sont composés d'un quark charmé et de son équivalent dans l'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...), un antiquark charmé, qui sont liés ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) par la force nucléaire (La force nucléaire est une force qui s'exerce entre nucléons. Elle est responsable de la...) forte. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) du méson J/y, en novembre 1974, a été un événement révolutionnaire ; elle a déclenché (Un déclenché (ou tonneau déclenché) est une figure de voltige aérienne.) à l'époque une évolution rapide de la physique des hautes énergies et a valu à ses découvreurs le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...). Tout comme un atome ordinaire, un méson peut être observé dans des états excités, dans lesquels les deux quarks qu'il contient se déplacent l'un autour de l'autre selon différentes configurations ; du fait de la fameuse équivalence de l'énergie et de la masse théorisée par Einstein, ces quarks peuvent disparaître après un court instant et se transformer en d'autres particules de masse plus faible. L'expérience LHCb a étudié, pour la première fois, la transformation particulière des mésons cc1 et cc2 se désintégrant en une particule J/y et en deux muons afin de déterminer très précisément certaines de leurs propriétés.

De précédentes études auprès de collisionneurs se sont penchées sur un autre type de désintégration de ces particules cc1 et cc2 , présentant dans l'état final un photon au lieu de deux muons. Il est toutefois très difficile d'obtenir une mesure expérimentale de l'énergie d'un photon dans l'environnement hostile d'un collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux...) d'hadrons. Grâce aux fonctions spécialisées du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) LHCb, capable de mesurer les trajectoires et les propriétés de particules chargées telles que les muons, et à l'ensemble volumineux de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) accumulées durant les première et deuxième exploitations du LHC, jusqu'à fin 2016, il a été possible d'observer ces deux particules excitées avec une excellente résolution de masse. La nouvelle mesure des masses et des largeurs naturelles des particules cc1 et cc2, réalisée à partir de la désintégration récemment observée avec deux muons dans l'état final, correspond aux mesures obtenues par de précédentes expériences construites dans ce but précis et selon une approche expérimentale spécifique, très différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) de celle utilisée pour les collisionneurs ; en outre, elle présente le même niveau de précision.

Non seulement nous ne sommes plus obligés d'avoir recours à des expériences construites spécifiquement pour ces études, mais en plus nous pourrons, dans un futur proche, envisager d'appliquer la même méthode pour étudier une famille de particules similaire, appelée bottomonium, dans laquelle les quarks charmés sont remplacés par des quarks beauté ", poursuite Giovanni Passaleva. Ces nouvelles mesures, auxquelles s'ajouteront de futures mises à jour prenant en compte un plus grand volume de données issu des collisions accumulées dans le LHC, permettront de procéder à de nouveaux tests rigoureux des prédictions de la chromodynamique quantique (La chromodynamique quantique (ou QCD, de l'anglais Quantum ChromoDynamics), est une théorie...) (QCD), la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) décrivant le comportement de la force nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) forte ; nous serons ainsi plus proches de comprendre précisément les caractéristiques fugaces de cette interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de la nature.
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