Une transformation de symétrie CP échange une particule avec l'image miroir de son antiparticule. La collaboration LHCb a observé une rupture de cette symétrie dans les désintégrations du méson D0 (illustré par la grande sphère à droite) et de son homologue antimatière, l'anti-D0 (grosse sphère à gauche), en d'autres particules (sphères plus petites). L'étendue de la panne a été déduite de la différence du nombre de désintégrations dans chaque cas (barres verticales, à titre d'illustration uniquement). Crédit :CERN
Des physiciens du Collège des Arts et des Sciences de l'Université de Syracuse ont confirmé que la matière et l'antimatière se désintègrent différemment pour les particules élémentaires contenant des quarks charmés.
Le professeur distingué Sheldon Stone dit que les découvertes sont une première, bien que l'asymétrie matière-antimatière ait déjà été observée dans des particules avec des quarks étranges ou des quarks de beauté.
Lui et des membres du groupe de recherche en physique des hautes énergies (HEP) du Collège ont mesuré, pour la première fois et avec une certitude de 99,999%, une différence dans la manière D 0 mésons et anti-D 0 les mésons se transforment en sous-produits plus stables.
Les mésons sont des particules subatomiques composées d'un quark et d'un antiquark, liés par des interactions fortes.
"Il y a eu de nombreuses tentatives pour mesurer l'asymétrie matière-antimatière, mais, jusqu'à maintenant, personne n'a réussi, " dit Pierre, qui collabore à l'expérience Large Hadron Collider beauty (LHCb) au laboratoire du CERN à Genève, La Suisse. "C'est une étape importante dans la recherche sur l'antimatière."
Les résultats peuvent également indiquer une nouvelle physique au-delà du modèle standard, qui décrit comment les particules fondamentales interagissent les unes avec les autres. "Jusque là, il faut attendre des tentatives théoriques pour expliquer l'observation par des moyens moins ésotériques, " il ajoute.
Chaque particule de matière a une antiparticule correspondante, identique en tout point, mais avec une charge opposée. Etudes de précision des atomes d'hydrogène et d'antihydrogène, par exemple, révèlent des similitudes au-delà de la milliardième décimale.
Lorsque la matière et les particules d'antimatière entrent en contact, ils s'annihilent dans un sursaut d'énergie, semblable à ce qui s'est passé lors du Big Bang, il y a 14 milliards d'années.
"C'est pourquoi il y a si peu d'antimatière naturelle dans l'Univers qui nous entoure, " dit Pierre, membre de l'American Physical Society, qui lui a décerné le W.K.H. Prix Panofsky de physique expérimentale des particules.
La question dans l'esprit de Stone implique la nature égale mais opposée de la matière et de l'antimatière. "Si la même quantité de matière et d'antimatière explosait à la naissance de l'Univers, il n'aurait dû rester que de l'énergie pure. Évidemment, cela ne s'est pas produit, ", dit-il dans une bouffée d'euphémisme.
Ainsi, Stone et ses collègues de LHCb ont recherché des différences subtiles entre la matière et l'antimatière pour comprendre pourquoi la matière est si répandue.
La réponse se trouve peut-être au CERN, où les scientifiques créent de l'antimatière en brisant des protons ensemble dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus grand du monde, accélérateur particulier le plus puissant. Plus le LHC produit d'énergie, plus les particules - et antiparticules - formées lors de la collision sont massives.
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Suisse est le plus grand du monde, accélérateur de particules le plus puissant. Crédit :CERN
C'est dans les débris de ces collisions que des scientifiques comme Ivan Polyakov, un post-doctorant dans le groupe HEP de Syracuse, chasse aux ingrédients particulaires.
"Nous ne voyons pas d'antimatière dans notre monde, nous devons donc le produire artificiellement, " dit-il. " Les données de ces collisions nous permettent de cartographier la désintégration et la transformation de particules instables en sous-produits plus stables. "
HEP est réputé pour ses recherches pionnières sur les quarks, des particules élémentaires qui sont les éléments constitutifs de la matière. Il en existe six types, ou des saveurs, de quarks, mais les scientifiques en parlent généralement par paires :haut/bas, charme/étrange et haut/bas. Chaque paire a une masse et une charge électronique fractionnaire correspondantes.
En plus du quark beauté (le "b" dans "LHCb"), HEP s'intéresse au quark charmé. Malgré sa masse relativement élevée, un quark charmé vit une existence éphémère avant de se décomposer en quelque chose de plus stable.
Récemment, HEP a étudié deux versions de la même particule. Une version contenait un quark charmé et une version antimatière d'un quark up, appelé le quark anti-up. L'autre version avait un quark anti-charme et un quark up.
En utilisant les données du LHC, ils ont identifié les deux versions de la particule, bien dans les dizaines de millions, et compté le nombre de fois où chaque particule s'est désintégrée en de nouveaux sous-produits.
"Le rapport des deux résultats possibles aurait dû être identique pour les deux ensembles de particules, mais nous avons constaté que les ratios différaient d'environ un dixième de pour cent, " dit Stone. " Cela prouve que la matière charmée et les particules d'antimatière ne sont pas totalement interchangeables. "
Ajoute Polyakov, "Les particules peuvent se ressembler à l'extérieur, mais ils se comportent différemment à l'intérieur. C'est le puzzle de l'antimatière."
L'idée que la matière et l'antimatière se comportent différemment n'est pas nouvelle. Des études antérieures sur des particules contenant des quarks étranges et des quarks bottom ont confirmé l'existence de ce fait.
Ce qui rend cette étude unique, Pierre conclut, c'est que c'est la première fois que quelqu'un voit des particules avec des quarks charmés asymétriques :« C'en est une pour les livres d'histoire.
