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LHCb observe une nouvelle saveur de l’asymétrie matière-antimatière

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LHCb observe une nouvelle saveur de l'asymétrie matière-antimatière

La collaboration LHCb, au CERN, a observé pour la première fois l’asymétrie entre matière et antimatière connue comme la violation de CP pour une particule appelée le méson D0. Ce résultat, présenté lors de la conférence annuelle les Rencontres de Moriond et d’un séminaire consacré à ce sujet au CERN, va sans l’ombre d’un doute faire date dans les manuels de physique des particules.

Le terme violation de CP fait référence à la transformation qui échange une particule avec l’image miroir de son antiparticule. On sait que les interactions faibles du Modèle standard de la physique des particules provoquent une différence entre le comportement de certaines particules et celui de leurs partenaires de CP, et cette asymétrie est appelée violation de CP. Cet effet a été observé pour la première fois dans les années 1960, au Laboratoire de Brookhaven (États-Unis), avec des particules appelées mésons K neutres, qui contiennent un quark s ; en 2001, des expériences menées aux laboratoires SLAC (États-Unis) et KEK (Japon) ont également observé ce phénomène avec des mésons neutres B, qui contiennent un quark b. Ces découvertes ont été à l’origine de l’attribution de deux prix Nobel, l’un en 1980 et l’autre en 2008.

La violation de CP est un phénomène essentiel dans notre Univers car il est nécessaire pour donner naissance aux processus qui, après le Big Bang, ont été à l’origine de la prépondérance de la matière par rapport à l’antimatière que nous observons dans l’Univers actuel. La valeur de la violation de CP observée jusqu’ici dans les interactions du Modèle standard est toutefois trop faible pour expliquer le déséquilibre actuel entre matière et antimatière, ce qui laisse imaginer l’existence de sources supplémentaires, encore inconnues, de violation de CP.

Le méson D0 est composé d’un quark c et d’un antiquark u. Jusqu’ici, la violation de CP avait été observée uniquement dans des particules contenant un quark s ou un quark b. Ces observations ont confirmé le modèle de la violation de CP décrit dans le Modèle standard par la matrice de mélange dite de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), qui caractérise la manière dont les quarks de différents types se transforment les uns en les autres lors d’interactions faibles. L’origine profonde du phénomène décrit par la matrice CKM et la recherche de sources et de manifestations supplémentaires de la violation de CP font partie des grandes questions en suspens de la physique des particules. La découverte de la violation de CP dans le cas du méson D0 est le premier signe de cette asymétrie pour le quark c, ce qui ajoute de nouveaux éléments à l’étude de ces questions.

Afin d’observer cette asymétrie de CP, les scientifiques de LHCb ont analysé l’ensemble des données fournies entre 2011 et 2018 par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) à l’expérience LHCb, afin d’y chercher les désintégrations en kaons ou en pions du méson D0 et de son antiparticule, l’anti-D0. Le résultat a une signification statistique de 5,3 écarts-types, c’est-à-dire qu’il dépasse le seuil de 5 écarts-types utilisé par les physiciens des particules pour valider une découverte.

Cette mesure va stimuler la réalisation de nouveaux travaux théoriques dans le but d’évaluer son impact sur la description de la violation de CP par la matrice CKM contenue dans le Modèle standard, et ouvrir la voie à la recherche de possibles nouvelles sources de violation de CP du côté des particules charmées.

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