Ce qui s'est passé au début de l'univers, dans les tout premiers instants ? La vérité est, nous ne le savons pas vraiment car il faut d'énormes quantités d'énergie et de précision pour recréer et comprendre le cosmos sur des échelles de temps aussi courtes en laboratoire. Mais les scientifiques du Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, La Suisse n'abandonne pas.

Maintenant, notre expérience LHCb a mesuré l'une des plus petites différences de masse entre deux particules jamais enregistrées, ce qui nous permettra d'en découvrir beaucoup plus sur nos origines cosmiques énigmatiques.

Le modèle standard de la physique des particules décrit les particules fondamentales qui composent l'univers, et les forces qui agissent entre eux. Les particules élémentaires comprennent les quarks, dont il y a six-up, vers le bas, étrange, charme, haut et bas. De même, il y a six "leptons" qui incluent l'électron, un cousin plus lourd appelé le muon, et le tau encore plus lourd, dont chacun a un neutrino associé. Il existe également des "partenaires antimatière" de tous les quarks et leptons qui sont des particules identiques à l'exception d'une charge opposée.

Le modèle standard est vérifié expérimentalement avec un degré de précision incroyable, mais présente des lacunes importantes. il y a 13,8 milliards d'années, l'univers a été créé dans le Big Bang. La théorie suggère que cet événement aurait dû produire des quantités égales de matière et "d'antimatière". Pourtant aujourd'hui, l'univers est presque entièrement composé de matière. Et c'est une chance, car l'antimatière et la matière s'annihilent en un éclair d'énergie lorsqu'elles se rencontrent.

L'une des plus grandes questions ouvertes en physique aujourd'hui est de savoir pourquoi y a-t-il plus de matière que d'antimatière. Y avait-il des processus en jeu dans l'univers primitif qui privilégiaient la matière à l'antimatière ? Pour se rapprocher de la réponse, nous avons étudié un processus où la matière se transforme en antimatière et vice versa.

Les quarks sont liés entre eux pour former des particules appelées baryons, y compris les protons et les neutrons qui composent le noyau atomique, ou mésons, qui se composent de paires quark-antiquark. Les mésons à charge électrique nulle subissent continuellement un phénomène appelé mélange par lequel ils se transforment spontanément en leur particule d'antimatière, et vice versa. Dans ce processus, le quark se transforme en anti-quark et l'anti-quark se transforme en quark.

Il peut le faire grâce à la mécanique quantique, qui régit l'univers sur la plus petite des échelles. Selon cette théorie contre-intuitive, les particules peuvent être dans de nombreux états différents en même temps, étant essentiellement un mélange de nombreuses particules différentes, une caractéristique appelée superposition. Ce n'est que lorsque vous mesurez son état qu'il « choisit » l'un d'entre eux. Un type de méson appelé D0, par exemple, qui contient des quarks charmés, est dans une superposition de deux particules de matière normales appelées D1 et D2. La vitesse à laquelle le méson D0 se transforme en son anti-particule et inversement, une oscillation, dépend de la différence de masses de D1 et D2.

Petites masses

Il est difficile de mesurer le mélange dans les mésons D0, mais cela a été fait pour la première fois en 2007. Cependant, jusqu'à maintenant, personne n'a mesuré de manière fiable la différence de masse entre D1 et D2 qui détermine la vitesse à laquelle le D0 oscille dans son antiparticule.

Notre dernière découverte, annoncé lors de la conférence Charm, change cela. Nous avons mesuré un paramètre qui correspond à une différence de masse de 6,4x10 ^-6 électron Volts (une mesure d'énergie) ou 10 ^-38 grammes—l'une des plus petites différences de masse entre deux particules jamais mesurées.

Nous avons ensuite calculé que l'oscillation entre le D0 et son partenaire antimatière prend environ 630 picosecondes (1 ps =1 millionième millionième de seconde). Cela peut sembler rapide, mais le méson D0 ne vit pas longtemps - il n'est pas stable en laboratoire et se désintègre (se désintègre) en d'autres particules après seulement 0,4 picoseconde. Donc, il disparaîtra généralement bien avant que cette oscillation ne se produise, posant un sérieux défi expérimental.

La clé est la précision. Nous savons par la théorie que ces oscillations suivent le chemin d'un type d'onde familier (sinusoïdal). Mesurer très précisément le début de la vague, nous pouvons déduire sa période complète car nous connaissons sa forme. La mesure devait donc atteindre une précision record sur plusieurs fronts. Ceci est rendu possible par la quantité sans précédent de particules de charme produites au LHC.

mais pourquoi est-ce important? Pour comprendre pourquoi l'univers a produit moins d'antimatière que de matière, nous devons en savoir plus sur l'asymétrie dans la production des deux, un processus connu sous le nom de violation de CP. Il a déjà été montré que certaines particules instables se désintègrent différemment de la particule d'antimatière correspondante. Cela a peut-être contribué à l'abondance de matière dans l'univers, avec des découvertes antérieures menant à des prix Nobel.

Nous voulons également trouver une violation de CP dans le processus de mixage. Si on part des millions de particules D0 et des millions d'antiparticules D0, allons-nous nous retrouver avec plus de particules de matière normales D0 après un certain temps ? Connaître le taux d'oscillation est une étape clé vers cet objectif. Bien que nous n'ayons pas trouvé d'asymétrie cette fois, notre résultat et d'autres mesures de précision peuvent nous aider à le trouver à l'avenir.

L'année prochaine, le LHC s'allumera après un long arrêt et le nouveau détecteur LHCb amélioré prendra beaucoup plus de données, augmentant encore la sensibilité de ces mesures. Pendant ce temps, les physiciens théoriciens travaillent sur de nouveaux calculs pour interpréter ce résultat. Le programme de physique LHCb sera également complété par l'expérience Belle-II au Japon. Ce sont des perspectives intéressantes pour étudier l'asymétrie matière-antimatière et les oscillations des mésons.

Bien que nous ne puissions pas encore résoudre complètement les mystères de l'univers, notre dernière découverte a mis la prochaine pièce du puzzle. Le nouveau détecteur LHCb amélioré ouvrira la porte à une ère de mesures de précision qui ont le potentiel de découvrir des phénomènes encore inconnus et peut-être une physique au-delà du modèle standard.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.