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La collaboration LHCb a mesuré une différence de masse de 0,00000000000000000000000000000000000001 gramme –soit 10-38 g en notation scientifique– entre deux particules. Ce résultat, exposé dans un article soumis pour publication dans la revue Physical Review Letters et présenté lors d’un séminaire du CERN, constitue une étape clé pour l’étude des oscillations d’une particule nommée méson D0 entre matière et antimatière.
Le méson D0 est l’une des quatre particules du Modèle standard de la physique des particules pouvant se transformer en son antiparticule, dont les caractéristiques sont, pour la plupart, identiques à celles de son homologue de matière. Ce phénomène est appelé « oscillation ». Les trois autres particules possédant cette propriété sont le méson K0 et deux types de mésons B.
Les mésons, comme de nombreuses autres catégories de particules, sont constitués de particules fondamentales nommées quarks, et plus précisément, d'un quark et d'un antiquark. Le méson D0 est composé d'un quark c et d’un antiquark up, alors que son antiparticule, l’anti-D0, est lui constitué d'un antiquark c et d’un quark up.
Dans le monde fascinant de la physique quantique, de même que le célèbre chat de Schrödinger peut être à la fois mort et vivant, le méson D0, lui, peut être à la fois sa particule et son antiparticule. Cette « superposition » quantique génère deux particules, chacune ayant sa propre masse : un méson D plus léger, nommé D1, et un méson D plus lourd, nommé D2. C’est cette superposition qui permet au méson D0 d’osciller entre particule et antiparticule.
Les particules D0 sont produites lors de collisions proton-proton au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Elles circulent sur quelques millimètres seulement avant de se transformer, ou se désintégrer, en d’autres particules. En comparant les particules D0 qui se désintègrent après avoir parcouru une courte distance avec celles qui se désintègrent un peu plus loin, la collaboration LHCb a mesuré la quantité responsable de la vitesse des oscillations du méson D0 en anti-D0, celle-ci correspondant à la différence de masse entre la particule plus légère (D1) et celle plus lourde (D2).
Le résultat, à savoir 10-38 g, possède une signification statistique supérieure à 5 sigmas, et dépasse de ce fait le seuil requis pour affirmer que l’on vient de réaliser une observation en physique des particules.
« Pour mettre en contexte cette infime différence de masse, il faut se rendre compte que la valeur observée reste infime même lorsqu’on la compare à celle de la masse de la particule D0, déclare Chris Parkes, porte-parole de LHCb, un peu comme si l’on comparait la masse d’une boule de neige à celle du Mont Blanc, le plus haut sommet d’Europe, qui s'élève à plus de 4 800 mètres. Ce résultat est un grand pas dans l'étude du comportement oscillatoire des particules D0 ».
Cette observation ouvre la voie à une nouvelle phase dans l’exploration des particules. Les scientifiques peuvent désormais approfondir leurs mesures des désintégrations des mésons D0 afin de préciser cette différence de masse et rechercher l'influence potentiellement exercée par des particules inconnues et non prédites par le Modèle standard sur les oscillations du méson D0.
Ces nouvelles particules pourraient être responsables de l'augmentation de la vitesse moyenne des oscillations, ou de la différence entre la vitesse de l’oscillation matière-antimatière et celle de l’oscillation antimatière-matière. Si l’on parvient à l’observer, une telle différence pourrait jeter un nouvel éclairage sur la raison pour laquelle l’Univers est entièrement constitué de matière, alors que matière et antimatière auraient été produites en quantités égales lors du Big Bang.
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Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site web de l'expérience LHCb.