Selon le modèle standard, à l’issue du Big Bang, matière et antimatière ont été produites en quantité égale. Cependant, aujourd’hui, c’est un univers composé essentiellement de matière que nous observons. Ce phénomène, connu sous le nom d’asymétrie matière-antimatière, constitue l’une des énigmes majoritaires de la physique moderne. Récemment, des physiciens ont découvert que des particules composites, les mésons charmés, pouvaient osciller entre particule et antiparticule le long de leur trajectoire. Une découverte passionnante qui pourrait peut-être constituer un début d’explication à l’absence d’antimatière dans l’Univers.
Depuis plus de 10 ans, les scientifiques savent que les mésons charmés, des particules subatomiques qui contiennent un quark et un antiquark, peuvent voyager sous la forme d’une hybridation de leurs états particule et antiparticule, un phénomène appelé mélange. Cependant, ce nouveau résultat montre pour la première fois qu’ils peuvent osciller entre les deux états.
Armés de ces nouvelles preuves, les chercheurs peuvent tenter de résoudre certaines des plus grandes questions de la physique concernant le comportement des particules en dehors du modèle standard. L’un étant de savoir si ces transitions sont causées par des particules inconnues non prédites par la théorie directrice.
Mésons charmés : ils oscillent entre particule et antiparticule
Dans le monde étrange de la physique quantique, le méson charmé peut être lui-même et son antiparticule à la fois. Cet état, connu sous le nom de superposition quantique, donne lieu à deux particules ayant chacune leur propre masse — une version plus lourde et plus légère de la particule. Cette superposition permet au méson charmé d’osciller en son antiparticule et inversement.
À l’aide des données recueillies lors du deuxième run au LHC, des chercheurs de l’Université d’Oxford ont mesuré une différence de masse entre les deux particules de 0.00000000000000000000000000000000000000001 gramme — ou 1 x 10-38 g. Une mesure de cette précision et de cette certitude n’est possible que lorsque le phénomène est observé plusieurs fois, et cela n’est possible qu’en raison du grand nombre de mésons charmés produits dans les collisions du LHC.
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 B dans les années 1980. Jusqu’à présent, la seule autre des quatre particules qui a été vue osciller de cette façon est le méson B étrange, une mesure effectuée en 2006.
L’oscillation des mésons charmés : un paramètre essentiel
Le professeur Guy Wilkinson de l’Université d’Oxford, dont le groupe a contribué à l’analyse, explique : « Ce qui rend cette découverte d’oscillation de la particule de méson charmé si impressionnante, c’est que, contrairement aux mésons B, l’oscillation est très lente et donc extrêmement difficile à mesurer dans le temps qu’il faut au méson pour 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 le LHCb a collecté suffisamment de données ».
Le professeur Tim Gershon de l’Université de Warwick, développeur de la technique analytique utilisée pour effectuer la mesure, ajoute : « Les mésons charmés sont produits lors de collisions proton-proton et ils ne parcourent en moyenne que quelques millimètres avant de se transformer ou de se désintégrer en d’autres particules ».
« En comparant les mésons charmés qui se désintègrent après avoir parcouru une courte distance avec ceux qui voyagent un peu plus loin, nous avons pu mesurer la quantité clé qui contrôle la vitesse de l’oscillation du méson charmé en méson anti-charmé – la différence de masse entre les versions plus lourdes et plus légères du méson charmé ».
Cette découverte de l’oscillation des mésons charmés ouvre une nouvelle et passionnante phase d’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 plus précisément si les transitions sont influencées/causées par des particules inconnues non prédites par le modèle standard.
