A partir des données collectées par le détecteur LHCb du Large Hadron Collider, il apparaît que les particules connues sous le nom de mésons charmés et leurs homologues d'antimatière ne sont pas produites dans des proportions parfaitement égales. Des physiciens de Cracovie ont proposé leur propre explication de ce phénomène et présenté des prédictions connexes sur les conséquences qui sont particulièrement intéressantes pour l'astronomie des neutrinos de haute énergie.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'univers était rempli de quantités égales de particules et d'antiparticules. Pendant qu'il refroidissait, la matière et l'antimatière ont commencé à fusionner et à s'annihiler, devenir rayonnement. La matière qui a survécu à l'anéantissement comprend maintenant l'univers, mais ce déséquilibre est mal compris. Afin de déchiffrer ce grand mystère de la science moderne, les physiciens tentent de mieux comprendre tous les mécanismes responsables des plus petites disproportions dans la production de particules et d'antiparticules. Un groupe de scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, associé à l'expérience LHCb au Large Hadron Collider à Genève, s'est récemment penché sur l'un de ces processus :l'asymétrie apparaissant à la naissance des mésons et antimésons charmés. Les conclusions de l'analyse pourraient avoir une signification pratique très tangible.

Selon la physique moderne, les quarks sont les éléments constitutifs indivisibles les plus importants qui composent la matière. Nous connaissons six saveurs de quarks :up (u), vers le bas (d), étrange(s), charme (c), bas (b) et haut (t); chaque saveur a également sa propre contrepartie antimatière (souvent marquée d'un tiret au-dessus de la lettre, lire comme "bar"). Les quarks sont généralement formés par paires quark-antiquark. Ce sont des particules extrêmement sociables :presque immédiatement après leur apparition, ils se lient en hadrons, ou groupes de deux, Trois, et parfois plus de quarks ou d'antiquarks, liés à des gluons (c'est-à-dire des particules transférant de fortes interactions nucléaires). Le processus de combinaison de quarks/antiquarks en complexes est appelé hadronisation.

Les hadrons instables construits à partir de paires quark-antiquark sont appelés mésons. Si l'un des quarks d'un méson est un quark charmé, la particule est appelée méson charme et est désignée par la lettre D (ou pour l'antiquark charme :D avec une barre au-dessus). Une paire constituée d'un quark charm et d'un antiquark down est un méson D+, et un composé d'un antiquark charmé et d'un quark down est un méson D-.

Dans les mesures effectuées au cours du dernier quart de siècle, y compris récemment dans le cadre de l'expérience LHCb, une asymétrie intéressante a été remarquée. Il s'est avéré que les mésons D+ et D- ne sont pas toujours produits exactement dans les mêmes proportions. Dans le cas des processus observés dans LHCb, initié dans les collisions de faisceaux à contre-courant de protons de haute énergie, cette asymétrie était faible, moins d'un pour cent.

« Les quarks charmés se forment principalement lors de collisions de gluons dans des interactions dites dures, et après la naissance, ils hadronisent en mésons D. Nous avons étudié un autre mécanisme de formation de mésons, connue sous le nom de fragmentation des quarks non favorisée. Ici, le méson charme est créé à la suite de l'hadronisation d'une lumière (vers le haut, vers le bas, ou étrange) quark ou antiquark. Grâce aux nuances de ce mécanisme, l'asymétrie entre kaons et antikaons, c'est-à-dire les mésons K+ et K-, a été expliqué plus tôt. Jusqu'à maintenant, cependant, il n'a pas été étudié si un mécanisme similaire pourrait expliquer l'asymétrie entre les mésons D+ et D- relativement massifs, " dit le Dr Rafal Maciula (FIJ PAN), le premier auteur de la publication dans la revue Examen physique D .

Le détecteur LHCb mesure principalement les particules s'écartant du point de collision des protons à de grands angles jusqu'à la direction initiale du mouvement de ces protons. Selon les physiciens de Cracovie, l'asymétrie dans la production des mésons D devrait être beaucoup plus grande si l'on prend en compte les particules produites dans le sens direct, C'est, le long de la direction des faisceaux de protons. Cela signifie que la disproportion actuellement observée n'est peut-être que la pointe d'un iceberg. Les calculs suggèrent que dans le cas de collisions « avant », fragmentation défavorable (d, toi, s'D) peut être comparable à la fragmentation classique (c'D). Par conséquent, l'asymétrie entre les mésons D+ et D- peut atteindre un pourcentage élevé, même à des énergies de collision inférieures à celles qui se produisent actuellement dans le LHC.

Les recherches des physiciens de l'IFJ PAN peuvent avoir des conséquences de grande envergure pour les observatoires de neutrinos tels que l'Observatoire IceCube en Antarctique. Ce détecteur, auquel collaborent 49 institutions scientifiques de 12 pays, surveille un kilomètre cube de glace, situé à près d'un kilomètre sous la surface, utilisant des milliers de photomultiplicateurs. Les photomultiplicateurs suivent les éclairs lumineux subtils initiés par l'interaction des particules formant de la glace avec les neutrinos, particules élémentaires interagissant très faiblement avec la matière ordinaire.

IceCube enregistre plusieurs centaines de neutrinos par jour. On sait qu'une grande partie d'entre eux sont créés dans l'atmosphère terrestre au cours de processus initiés par les rayons cosmiques et se déroulant avec la participation de protons. D'autres neutrinos peuvent provenir du noyau terrestre ou du Soleil. Il est supposé, cependant, que les neutrinos d'énergies significatives ont atteint le détecteur directement à partir de sources cosmiques distantes, y compris les supernovae, fusionner des trous noirs ou des étoiles à neutrons.

"Lors de l'interprétation des données du détecteur IceCube, la production de neutrinos dans l'atmosphère terrestre causée par le rayonnement cosmique ordinaire, y compris les collisions impliquant des protons, est pris en compte. Le fait est que certains de ces processus, entraînant la formation de neutrinos à hautes énergies, ont lieu avec la participation des mésons D. Pendant ce temps, nous montrons que le mécanisme de production de ces mésons dans l'atmosphère peut être beaucoup plus efficace qu'on ne le pensait auparavant. Donc, si nos hypothèses sont confirmées, certains des neutrinos hautement énergétiques enregistrés, maintenant considéré comme d'origine cosmique, sont en fait apparus juste au-dessus de nos têtes et perturbent l'image réelle des événements dans les profondeurs de l'espace, " explique le Prof. Antoni Szczurek (FIJ PAN).

Quand on ne voit que la pointe de l'iceberg, les inférences sur ce à quoi ressemble le reste est plus que risquée. Le modèle proposé par les physiciens de Cracovie a aujourd'hui le statut d'hypothèse. Peut-être qu'il décrit pleinement le mécanisme qui se produit dans la réalité. Mais il se peut aussi que d'autres processus soient responsables de l'asymétrie dans la production des mésons D, peut-être partiellement ou même dans leur intégralité.

"Heureusement, aucune autre proposition concurrente ne prédit une augmentation aussi nette de l'asymétrie dans la production de mésons D à des énergies de collision inférieures. Donc pour vérifier nos hypothèses, il suffirait dans l'accélérateur LHC de diriger un seul faisceau sur une cible fixe, ce qui réduirait considérablement l'énergie de collision. Notre modèle répond donc aux critères d'une science très fiable :il explique non seulement les observations antérieures, mais surtout, elle peut être vérifiée rapidement. En outre, cela peut être fait à très bas prix, " dit le professeur Szczurek.