Les physiciens ont prouvé qu'une particule subatomique peut basculer dans son alter ego antiparticulaire et inversement, dans une nouvelle découverte révélée aujourd'hui.

La mesure extraordinairement précise a été réalisée par des chercheurs britanniques à l'aide de l'expérience Large Hadron Collider Beauty (LHCb) au CERN.

Il a fourni la première preuve que les mésons charmes peuvent se transformer en leur antiparticule et inversement.

Phénomène de mélange

Depuis plus de 10 ans, les scientifiques savent que charmer les mésons, particules subatomiques qui contiennent un quark et un antiquark, peuvent voyager comme un mélange de leurs états particulaire et antiparticulaire.

C'est un phénomène appelé mélange.

Cependant, ce nouveau résultat montre pour la première fois qu'ils peuvent osciller entre les deux états.

Répondre aux grandes questions de physique

Armé de cette nouvelle preuve, les scientifiques peuvent essayer de résoudre certaines des plus grandes questions de la physique concernant le comportement des particules en dehors du modèle standard.

Un être, si ces transitions sont causées par des particules inconnues non prédites par la théorie directrice.

La recherche, soumettre à Lettres d'examen physique et disponible sur arXiv, a reçu un financement du Science and Technology Facilities Council (STFC).

Être l'un et l'autre

Dans le monde étrange de la physique quantique, le méson charme peut être lui-même et son antiparticule à la fois.

Cet état, connu sous le nom de superposition quantique, donne deux particules chacune avec sa propre masse, une version plus lourde et plus légère de la particule.

Cette superposition permet au méson charme d'osciller dans son antiparticule et inversement.

Différences de masse

En utilisant les données recueillies lors de la deuxième exécution du Large Hadron Collider (LHC), des chercheurs de l'Université d'Oxford ont mesuré une différence de masse entre les deux particules.

Il y avait une différence de 0,00000000000000000000000000000000000000001 grammes - ou en notation scientifique 1×10 ^-38 g.

Une mesure de cette précision et certitude n'est possible que lorsque le phénomène est observé plusieurs fois.

Cela n'est possible qu'en raison de la production de nombreux mésons charmés dans les collisions du LHC.

La mesure étant extrêmement précise, l'équipe de recherche a assuré que la méthode d'analyse l'était encore plus.

Une nouvelle technique

Pour faire ça, l'équipe a utilisé une nouvelle technique développée à l'origine par des collègues de l'Université de Warwick.

Il n'y a que quatre types de particules dans le modèle standard, la théorie qui explique la physique des particules, qui peuvent se transformer en leur antiparticule.

Le phénomène de mélange a été observé pour la première fois dans les mésons étranges dans les années 1960 et dans les mésons de beauté dans les années 1980.

Jusqu'à maintenant, la seule autre des quatre particules qui a été vue osciller de cette façon est le méson de beauté étrange, une mesure réalisée en 2006.

Un phénomène rare

Professeur Guy Wilkinson à l'Université d'Oxford, dont le groupe a contribué à l'analyse, mentionné:

"Ce qui rend cette découverte de l'oscillation dans la particule du méson charme si impressionnante, c'est que, contrairement aux mésons de beauté, l'oscillation est très lente et donc extrêmement difficile à mesurer dans le temps que met le méson à se désintégrer. Ce résultat montre que les oscillations sont si lentes que la grande majorité des particules se désintègrent avant d'avoir eu la chance d'osciller. Cependant, nous sommes en mesure de confirmer qu'il s'agit d'une découverte car LHCb a collecté tellement de données."

Professeur Tim Gershon à l'Université de Warwick, développeur de la technique analytique utilisée pour effectuer la mesure, a déclaré:"Les particules de mésons de charme sont produites lors de collisions proton-proton et elles ne parcourent en moyenne que quelques millimètres avant de se transformer, ou en décomposition, en d'autres particules. En comparant les particules de mésons charme qui se désintègrent après avoir parcouru une courte distance avec celles qui voyagent un peu plus loin, nous avons pu mesurer la quantité clé qui contrôle la vitesse de l'oscillation du méson charme en méson anti-charme - la différence de masse entre les versions plus lourdes et plus légères du méson charme."

Une nouvelle porte s'ouvre pour l'exploration de la physique

Cette découverte de l'oscillation des mésons charme ouvre une nouvelle phase passionnante de l'exploration physique.

Les chercheurs veulent maintenant comprendre le processus d'oscillation lui-même, potentiellement une avancée majeure dans la résolution du mystère de l'asymétrie matière-antimatière.

Un domaine clé à explorer est de savoir si le taux de transitions particule-antiparticule est le même que celui des transitions antiparticule-particule.

Et précisément, si les transitions sont influencées ou causées par des particules inconnues non prévues par le modèle standard.

Les petites mesures disent de grandes choses

Dr Mark Williams à l'Université d'Édimbourg, qui a réuni le LHCb Charm Physics Group au sein duquel la recherche a été effectuée, a déclaré:"De petites mesures comme celle-ci peuvent vous dire de grandes choses sur l'Univers auxquelles vous ne vous attendiez pas."

Le résultat, 1×10-38g, franchit le niveau de signification statistique « cinq sigma » requis pour revendiquer une découverte en physique des particules.

Plus d'informations

LHCb est l'une des quatre grandes expériences du LHC au CERN à Genève, et est conçu pour étudier les désintégrations de particules contenant un quark beauté.

L'objectif principal de LHCb est d'étudier l'asymétrie matière-antimatière ou « violation de CP ».

Après le Big Bang, la matière et l'antimatière ont été créées en quantités égales, mais quand ils se rencontrent, ils s'annihilent.

Comme nous vivons dans un univers dominé par la matière, il doit y avoir une différence subtile entre la matière et l'antimatière qui a permis à la matière de survivre.

Les mésons font partie de la grande classe de particules constituées de particules fondamentales appelées quarks, et contiennent un quark et un quark d'antimatière.

Le méson D0 est constitué d'un quark charm et d'un antiquark up, et son antiparticule, l'anti-D0, se compose d'un antiquark charm et d'un quark up.

Cette mesure a été réalisée à l'aide du sous-détecteur Vertex Locator (VELO) de LHCb.