SFP2011 Congrès Général de la SFP

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Observer les oscillations matière-antimatière

Les D-mésons sont les quatrièmes dans un quatuor de mésons neutres à être observé oscillant avec leurs partenaires antiparticules.

Alors que la mécanique quantique est maintenant une théorie bien établie, elle fascine toujours autant les nouveaux arrivants que les experts avec ses phénomènes inhabituels. Le paradoxe du chat de Schrödinger et les subtilités de l’interférence sont des classiques intemporels. Un autre effet quantique moins familier, les oscillations des mésons neutres (états liés d’un quark et d’un antiquark), a également intrigué de nonbreux chercheurs en physique depuis près de soixante ans. Ces mésons oscillent entre leur état particule et antiparticule. Les idées théoriques qui sous-tendent ce comportement appellent à des concepts qui sont profondément ancrées dans l’histoire de la physique des particules.

L’interaction faible, mieux connu comme la force fondamentale provoquant la désintégration bêta radioactive, c’est l’alchimie de la physique des particules élémentaires, capable de changer le type ou arôme, des quarks quarks. Rappelons, par exemple, qu’un neutron, contenant un quark up et de deux quarks down émet un électron et un antineutrino lors de la désintégration bêta et devient un proton. Un tel changement de saveur, ici de bas en haut, est une caractéristique de l’interaction faible. Les mésons, construit à partir d’un quark et d’un antiquark plutôt que de trois quarks, permettent une possibilité plus subtile. Une interaction de deuxième ordre faible peut faire le quark antiquark changent de place: un méson neutre peut osciller dans son antiparticule. Il existe quatre systèmes de mésons sujets à de telles oscillations. Chacun de ceux-ci forment un système à deux états quantiques où peuvent se produire des oscillations.

Les oscillations des mésons sont intimement liés à l’existence de trois générations de quarks: de haut en bas, le charme et étrange, et en haut et en bas. Construire des atomes exige seulement un quark up et down, mais il y a deux générations supplémentaires. L’existence même de ces quarks supplémentaires est un mystère de longue date en physique des particules: ils sont plus massives, mais par ailleurs des copies semblable du quarks up et down. Le quatuor d’oscillation des paires de mésons contient ces quarks supplémentaires, et la physique détaillée des interactions faibles donne chacune des paires de mésons un caractère quelque peu différent.

Le caractère des oscillations, et donc notre stratégie pour les détecter, dépend de deux paramètres clés. Les interactions faibles permettent au contraire de dégénérer les mésons et de les mélanger les uns avec les autres. Il en résulte deux nouveaux états propres, avec de petites différences dans leurs masses et durée, conduisant à des oscillations avec une fréquence liée à la différence de masse. Les observations sont plus faciles lorsque la période d’oscillation est comparable à la durée de vie. C’est le cas pour les systèmes où le phénomène est maintenant bien étudié. D’autre part, pour ce système les oscillations sont très rapides et des expériences sont nécessaires pour la résolution temporelle pour finalement les résoudre. Il y a peu de temps pour les oscillations assez lentes d’avoir un effet avant la désintégration des particules et des statistiques de mesure suffisamment élevées sont essentielles pour une observation correcte.

Des recherches sur les oscillations avec différentes techniques ont récemment abouti. La technique de base utilisée consiste à déterminer la saveur, ou à la production, puis de nouveau à la décomposition, permettant la détection d’un changement de saveur (oscillation). Parmi les particules produites par les collisions proton-proton étudiés sont les mésons. Un décroît généralement à un, mais jamais l’inverse. Ainsi, la charge du méson définitivement balise la saveur initiale. Pour marquer à la carie, on utilise à nouveau la charge électrique dans certaines désintégrations spécifiques. Une décroissance courante donne dans ces panneaux de droite et la de la désintégration sont de même signe. Un mauvais signe la carie a des charges différentes et peut indiquer qu’une oscillation, suivie par la désintégration antiparticule,, a eu lieu.

La mouche seule ombre au tableau est que d’une petite fraction, environ, de tous se désintègre en sont en fait, fournir une deuxième source de mal-sign se désintègre sans rapport avec les oscillations. Mais le temps nous donne une tapette à mouche: ce processus d’arrière-plan a une amplitude constante, tandis que les oscillations varient dans le temps. En l’absence d’oscillations, le taux de WS / RS serait un temps constant vs. Ce que les physiciens ont observé était une petite variation en fonction du temps du taux de WS / RS. Pour signaler une oscillation, les caries mal-signe doivent venir au bon moment. La dépendance temporelle est équipée pour extraire les paramètres de l’oscillation et l’hypothèse qu’aucune des oscillations ne se produit est exclue avec une confiance statistique élevé (écarts-types).

Le détecteur et la détente sont accordés pour étudier les états contenant des quarks ou de charme. Les collisions se produisent à un taux de mégahertz, mais les données ne peuvent être enregistrées à 3 kilohertz pour une analyse ultérieure. Une clé de la sélection réussie est la durée de vie relativement longue, environ une picoseconde, pour les états qui contiennent ces quarks. Pour les particules qui se déplacent rapidement, ces temps courts correspondent à des distances de propagation mesurables, qui permettent de l’espace qui les sépare. Depuis des mesures de haute précision sont nécessaires pour des décisions en temps réel, une immense quantité de travail va dans l’étalonnage, le contrôle qualité, la maintenance et les autres activités nécessaires pour que ce processus fonctionne. Les données obtenues de haute qualité pour la mesure de l’oscillation sont un témoignage de la réussite de cette entreprise. La capacité de choisir de manière sélective les collisions intéressantes permet un programme physique très large.

Les efforts de recherche considérables sont actuellement consacrées aux interactions faibles de quarks et de puzzle associé de leurs trois générations. Idéalement, les oscillations abordés ici aideront dans la recherche pour trouver des indices d’une nouvelle physique au delà du modèle standard actuel de la physique des particules. Il est alléchant que les résultats expérimentaux se situent vers l’extrémité supérieure de la fourchette prédite théoriquement, mais malheureusement les calculs précis des oscillations ne sont pas encore possibles. Au lieu d’autres expériences connexes se présentent comme un défi à nos capacités théoriques. Mais alors même que nous attendons des progrès sur ce front, nous pouvons encore savourer les harmonies subtiles de quatuor oscillant de la nature, enfin terminée.