Quark charmé: première observation directe d'un effet fondamental en physique des particules

Publié par Redbran le 20/05/2022 à 13:00
Source: CERN
Cette observation donne un accès expérimental direct à la masse d'une particule élémentaire appelée quark charmé.


Un quark charmé (c) dans une gerbe de partons perd de l'énergie en émettant des rayonnements sous forme de gluons (g). La gerbe comporte un cône mort: une absence de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie...) pour les angles inférieurs au rapport de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) (m) sur l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) (E). L'énergie diminue à chaque étape de la gerbe. (Image: CERN)

"Il n'a vraiment pas été facile d'observer le cône mort directement, explique Luciano Musa, porte-parole d'ALICE. Mais en exploitant trois années de données issues de collisions proton-proton au LHC couplées à des techniques sophistiquées d'analyse de données, nous avons enfin pu le mettre au jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...)."

Les quarks et les gluons, appelés génériquement "partons", sont produits lors des collisions de particules telles que celles qui ont lieu au LHC. Une fois produits, les partons subissent des transformations en cascade (on parle de "gerbe de partons"): ils perdent de l'énergie en émettant des rayonnements sous forme de gluons, lesquels émettent à leur tour des gluons. La configuration du rayonnement de cette gerbe dépend de la masse du parton (En physique des particules, le modèle des partons a été proposé par Richard...) émettant des gluons et présente une région autour de la direction de vol du parton dans laquelle l'émission de gluons est atténuée: c'est le cône mort1.

Prédit il y a trente ans d'après les principes premiers de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) forte, le cône mort a été observé de façon indirecte dans les collisionneurs de particules. Toutefois, il a toujours été difficile de l'observer directement à partir du profil de rayonnement de la gerbe de partons, principalement parce que le cône mort peut être rempli par les particules émises par le parton d'origine et parce qu'il est difficile de déterminer la direction changeante du parton tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) au long du processus de production de gerbe.

La collaboration ALICE a surmonté ces défis en appliquant des techniques d'analyse de pointe à un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) important de collisions proton-proton au LHC. Ces techniques permettent de remonter à la gerbe de partons à partir de ses produits finaux, à savoir les signaux laissés dans le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) ALICE sous la forme d'un "jet" de particules. En analysant les jets qui incluaient une particule contenant un quark charmé, les chercheurs ont pu identifier un jet créé par ce type de quark et retracer tout l'historique des gluons émis par ce quark. La comparaison entre le profil d'émission de gluons du quark charmé et celui des gluons et des quarks de masse presque nulle a ensuite révélé un cône mort dans le profil du quark charmé.

Par ailleurs, le résultat met directement en évidence la masse du quark charmé, dans la mesure où la théorie prédit que les particules de masse nulle ne présentent pas de cône mort correspondant.

"Les masses des quarks sont des quantités fondamentales en physique des particules, mais il n'est pas possible de les observer et de les mesurer directement lors des expériences car, à l'exception du quark top (Le quark top (souvent abrégé en quark t) est un quark, une particule...), les quarks sont confinés à l'intérieur de particules composites, explique Andrea Dainese, coordinateur de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) d'ALICE. Notre technique nous a permis d'observer directement le cône mort d'une gerbe de partons ; elle pourrait nous donner un moyen de mesurer la masse des quarks."

Pour en savoir plus:
- Graphiques supplémentaires
- Galerie d'images ALICE
- Galerie de vidéos (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la...) ALICE
- Collaboration ALICE: https://alice.cern/ (en anglais)

Note:
1Précision technique: pour une particule émettrice de masse m et d'énergie E, l'émission de gluons est atténuée à des angles inférieurs au rapport m/E par rapport au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) de la particule émettrice.
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