b-quarks

Ces drôles de b-quarks

Quatre années passent vite et représentent presque un temps infini dans le monde actuel. En quatre ans, les softwares (programmes) de nos ordinateurs, téléphones portables et tablettes ont été des centaines de fois mises à jour pour ne pas devenir caduques. Des milliers de textes décrivant nos lois   ont été corrigés, amendés, revus, déclassés. Mais qui se souvient encore de ce qui s’est passé il y a quatre ans, en 2016 ?

Cette année-là, rien ne s’est passé comme prévu dans le monde de la physique atomique. Et cette affirmation s’est révélée être particulièrement vraie au niveau du LHC, l’accélérateur de particules 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 prévu [03]... pour ne citer que trois exemples !

Les physiciens étaient en train de pousser le LHC dans ses derniers retranchements, augmentant l’énergie injectée dans les particules accélérées jusqu’à 13 TeV (téra-électron-volt) avant de les faire entrer en collision.

Les collisions entre protons (des particules que la chromodynamique quantique décrit comme un assemblage de trois quarks collés entre eux grâce à l’action de huit gluons) avaient alors permis l’éjection de b-quarks (le « b » symbolise le mot anglais « Bottom » ; d’où le nom de l’expérimentation : LHCb).

Les collisions sont dans une certaine mesure étudiées comme le seraient les billes impliquées dans un jeu de billard (voir l’exemple tiré de la mécanique classique dans [04 ; annexe 7.a, pp. 314-321]). En général, les produits de la collision font entre eux certains angles rendus prévisibles par les calculs basés sur les caractéristiques dynamiques des acteurs impliqués.

Les résultats de l’expérience LHCb sont venus interroger nos connaissances théoriques puisque l’angle mesuré entre les quarks de basse et de haute énergie était deux fois plus grand que la prédiction !

A la recherche des causes rationnelles justifiant les écarts au modèle standard

Dès cette époque, les théoriciens ont donc commencé à s’interroger sur les causes de cet écart. Peu nombreux à croire qu’il faille remettre en cause le modèle standard (MS) ou invoquer des problèmes liés aux mesures réalisées, ils ont préférentiellement orienté leur quête vers un affinement des calculs prévisionnels et de la valeur des quantités de mouvement réellement portées par les quarks constitutifs des protons impliqués dans ces collisions.

Le travail d’analyse se poursuit encore aujourd’hui (2020) parce que les équipes de recherche partent du principe que l’explication rapide de la disparition de l’antimatière (juste après le Big-Bang) se trouve quelque part dans une meilleure compréhension des particules composites comprenant des quarks b et c [05].

L’expérimentation LHCb fournit d’ailleurs de nouveaux résultats qui confirment l’écart au MS constaté en 2016 de manière lente mais croissante. Ils sont à découvrir sur la page publique du CERN [06].

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 cliquant sur les liens actifs.

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 MS de façon satisfaisante et la seconde est en cours. Il est donc bien trop tôt pour en dire quoi que ce soit.

© Thierry PERIAT, paru pour la première fois le 17 aout 2016 puis revu le 18 mars 2020.

Bibliographie :

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

[02] https://www.quantamagazine.org/20160624-rumors-cast-doubt-on-diphoton-bump/

[03] b-hadron production at LHCb. International Conference on High Energy Physics, Chicago, August 4, 2016. (https://www.sciencenews.org/article/bottom-quarks-misbehave-lhc-experiment)

[04] 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. 

[05] https://www.epfl.ch/labs/lphe/lhcb-fr/

[06] http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/

Nota bene : La version initiale de ce texte se base sur l’article [03]. La consultation des pages web dédiées aux sujets traités sur ce site et l’acquisition (éventuellement payante ; p.ex. : [01]) des articles accessibles sur ces pages dédiées restent de votre seule responsabilité.

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