Le quark-b

Le quark-b : une histoire qui rebondit en 2016

 Le temps passe vite, c’est bien connu. L’histoire dont je vous relate quelques éléments aujourd’hui concernent les b-quarks. Elle remonte à 2016. Sept années représentent presque une éternité dans le monde actuel. Dans cet intervalle de temps, les programmes de nos ordinateurs, téléphones portables et tablettes ont été des centaines de fois mis à jour pour ne pas devenir caduques. Des milliers de textes de lois ont été corrigés, amendés, revus, déclassés, publiés. Mais qui se souvient encore de ce qui s’est passé en 2016 dans le monde spécialisé de la physique des particules ?

Le quark-b est le fruit de collisions entre protons

Cette année-là, rien ne se passe comme prévu dans le monde de la physique atomique. Et cette affirmation se révèle être particulièrement vraie au niveau du LHC, l’accélérateur de particules hadroniques situé entre la France et la Suisse.

Pas de neutrino stérile [01], pas de di-photon autour de 750 GeV [02] et des b-quarks qui ne se comportent pas comme la théorie le prédit [03], [04] … pour ne citer que trois exemples !

En 2016, les physiciens poussent le LHC dans ses derniers retranchements. Concrètement, ils veulent d’augmenter l’énergie injectée aux particules. Objectif : atteindre la valeur de 13 TeV (téra-électron-volt) avant de les faire entrer en collision.

La chromodynamique quantique décrit les protons comme un assemblage de trois quarks collés entre eux grâce à l’action de huit gluons.

Les collisions entre protons permettent l’éjection des quarks qu’ils contiennent ; parmi eux : les b-quarks. La lettre « b » se réfère au mot anglais « Bottom » qui signifie : base, par opposition au mot « sommet » (top en anglais). Elle explique aussi le nom donné à l’expérimentation : LHCb.

Le quark-b ne se comporte pas comme la théorie le prédit

La description des collisions entre particules s’inspire de celle des billes impliquées dans un jeu de billard. L’étude de la mécanique classique [05 ; annexe 7.a, pp. 314-321] permet de s’en faire une première idée. Il convient toutefois de la corriger en tenant compte d’un certain nombre d’autres paramètres. Par exemple, les chocs peuvent être élastiques. Ou encore : on a ici à faire à des interférences quantiques.

Dans la version classique de l’étude de ces phénomènes, les produits de la collision font entre eux certains angles. Les calculs basés sur les caractéristiques dynamiques des acteurs impliqués permettent de prédire les angles post-collision.

En 2016, les résultats de l’expérience LHCb sont venus interroger ces connaissances théoriques. En effet, surprise, l’angle mesuré entre les quarks de basse et de haute énergie était deux fois plus grand que celui prédit par la théorie !

Le quark-b initie une recherche des causes de l'écart au modèle standard

Dès cette époque, les théoriciens ont donc commencé à s’interroger sur les causes de cet écart. Ils sont peu nombreux à croire qu’il faille remettre en cause le modèle standard ou invoquer des problèmes liés aux mesures réalisées.

La quête de l’explication s’oriente préférentiellement vers un affinement des calculs prévisionnels. Dans cet état d’esprit, ils veulent mieux estimer la valeur des quantités de mouvement réellement portées par les quarks constitutifs des protons impliqués dans ces collisions.

Le travail d’analyse initié à cette époque se poursuit encore aujourd’hui. Les équipes de recherche pensent que l’explication de la disparition rapide de l’antimatière (en théorie juste après le Big-Bang) se trouve quelque part dans une meilleure compréhension des particules fondamentales. D’où cet intérêt accru pour les quarks [06].

Pour aller plus loin dans la connaissance du quark-b

Celles et ceux souhaitant aller plus loin sur le sujet auront avantage à s’initier à la mécanique quantique, la théorie quantique des champs et à la chromodynamique quantique.

Les kaons et la matrice CKM jouent un rôle non négligeable dans cette partie de la physique. Si le cœur vous en dit, vous pouvez vous initier aux rudiments concernant cette matrice en consultant [06].

L’existence d’effets hadroniques qui n’avaient pas été pris en compte lors des premiers tirs ou celle d’une physique au-delà du modèle standard sont les deux pistes vers lesquelles se portent les explorations actuelles.

La première ne parvient pas à faire disparaitre l’écart avec le modèle standard de façon satisfaisante. La seconde est en cours d’investigation. Il est donc bien trop tôt pour tirer des conclusions fermes et définitives du processus commencé en 2016.

© Thierry PERIAT, article du 17 aout 2016, revu le 18 mars 2020 et le 12 janvier 2024.

Bibliographie indicative sur le sujet

[01] Searches for Sterile Neutrinos with IceCube Detector in Phys. Rev. Lett. 117, 071801 (2016), published August 8, 2016; https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.071801

[02] Diphoton in the spotlight, ATLAS Collaboration, https://atlas.cern/updates/briefing/di-photons-spotlight, 17 June 2016.

[03] b-hadron production at LHCb. International Conference on High Energy Physics, Chicago, August 4, 2016.

[04] Bottom quarks misbehave in the LHC experiment, https://www.sciencenews.org/article/bottom-quarks-misbehave-lhc-experiment, 8 August 2016.

[05] R. Lennuier, P.-Y. Gal et D. Perrin : Mécanique des particules, champs ; Collection U, © Librairie Armand Colin, premier cycle de l’enseignement supérieur, 1970, Paris. 

[06] L’expérience LHCb, https://www.epfl.ch/labs/lphe/lhcb-fr/

[07] Contributeurs de Wikipédia, « Matrice CKM, » Wikipédia, l’encyclopédie libre, https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Matrice_CKM&oldid=209844088 (Page consultée le novembre 20, 2023).

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