Première preuve de violation directe de CP dans les désintégrations de mésons beauté vers charmonium

MaB
Modèle standard
12 mars 2025

Table des matières

Contexte théorique détaillé

La symétrie CP (Charge-Parité) combine deux symétries fondamentales de la physique : la conjugaison de charge (C), transformant une particule en son antiparticule, et la parité (P), inversant les coordonnées spatiales. Bien que l’on ait longtemps supposé cette symétrie exacte, sa violation fut découverte en 1964 dans le système des mésons K par Cronin et Fitch. La violation de CP, intégrée au Modèle Standard via la matrice CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa), explique partiellement l’asymétrie matière-antimatière cosmologique mais demeure insuffisante pour en rendre compte totalement. Ainsi, toute nouvelle observation expérimentale de la violation directe de CP dans des systèmes particuliers, tels que les mésons B, constitue une avancée majeure pour la physique fondamentale.

Méthodologie et fondements théoriques

L’expérience LHCb du CERN a utilisé des données issues de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de 13 TeV. Les détecteurs spécialisés de l’expérience LHCb, en particulier ceux capables d’une excellente identification des mésons J/ψ (état lié charmonium), K_S^0 et φ, ont permis d’isoler précisément les canaux de désintégration suivants :

$ B^0 \rightarrow J/\psi\, K_S^0 $
$ B_s^0 \rightarrow J/\psi\, \phi $

où $ J/\psi $ est un état lié de charmonium constitué d’une paire charm-anticharm ($ c\bar{c} $), et $ K_S^0 $, $\phi$ des mésons spécifiques produits dans ces désintégrations.

La quantification de la violation CP directe se fait à l’aide du paramètre d’asymétrie $ A_{CP} $, défini par :

\[ A_{CP} = \frac{\Gamma(\bar{B} \rightarrow f) - \Gamma(B \rightarrow \bar{f})}{\Gamma(\bar{B} \rightarrow f) + \Gamma(B \rightarrow \bar{f})} \]

où $\Gamma$ est le taux de désintégration et $f$ le produit final considéré. L’analyse statistique des événements a été réalisée par ajustement simultané des spectres de masse invariante et du temps de vie des particules issues de ces désintégrations. Des techniques avancées de réduction du bruit de fond et de contrôle des incertitudes systématiques ont été appliquées, garantissant ainsi la fiabilité des résultats obtenus.

Équations clés du phénomène

L’asymétrie expérimentale observée est calculée selon :

\[ A_{CP} = \frac{N_{\bar{B}\rightarrow f} - N_{B\rightarrow \bar{f}}}{N_{\bar{B}\rightarrow f} + N_{B\rightarrow \bar{f}}} \]

avec $N$, le nombre d’événements observés correspondant aux processus de désintégrations considérés.

Résultats principaux et interprétation physique

Les résultats montrent sans ambiguïté une asymétrie significative, fournissant ainsi une preuve directe de la violation CP dans les désintégrations vers charmonium :

Figure 1: Distributions des masses invariantes des candidats $B^+ \rightarrow J/\psi\,\pi^+$ (panneau en haut à gauche), $B^- \rightarrow J/\psi\,\pi^-$ (en haut à droite), $B^+ \rightarrow J/\psi\,K^+$ (en bas à gauche), et $B^- \rightarrow J/\psi\,K^-$ (en bas à droite), issues de l'échantillon combiné de données collectées entre 2016 et 2018. Les projections des ajustements statistiques (fits) sont également représentées.>

Pour $ B^0 \rightarrow J/\psi\, K_S^0 $, l’asymétrie observée est en accord avec les prédictions du Modèle Standard mais constitue une première preuve expérimentale claire.
Pour $ B_s^0 \rightarrow J/\psi\, \phi $, une asymétrie statistiquement significative est également observée, enrichissant considérablement notre compréhension du phénomène.

Figure 2: Comparaison des mesures des grandeurs $\mathcal{R}_{\pi/K}$ et $\Delta A_{CP}$ obtenues à partir des données des Run 1, 2016, 2017 et 2018, ainsi que leurs valeurs moyennes. Les barres d'erreur correspondent à la somme quadratique des incertitudes statistiques et systématiques.

Discussion critique des résultats

Ces observations représentent une confirmation claire des prédictions du Modèle Standard concernant la matrice CKM, mais indiquent également des limites potentiellement sensibles à des scénarios alternatifs de « nouvelle physique » tels que certains modèles supersymétriques ou des théories incorporant de nouvelles particules ou interactions violant la symétrie CP. La précision accrue de ces résultats permet d’exclure ou de contraindre fortement certaines extensions théoriques qui prédisaient des écarts substantiels par rapport au Modèle Standard.

Perspectives futures et enjeux

À court terme, les prochaines phases de prise de données au LHC permettront une augmentation significative de la luminosité et donc des statistiques, réduisant davantage les incertitudes expérimentales. Des améliorations techniques spécifiques des détecteurs, notamment en termes de résolution spatiale et d’identification des particules, ainsi que des algorithmes statistiques perfectionnés, seront mises en œuvre. À plus long terme, ces résultats ouvrent la voie à une recherche plus approfondie de violations de CP dans d’autres canaux de désintégration rares, susceptibles de révéler ou de contraindre de façon décisive l’existence d’une physique au-delà du Modèle Standard.

Ainsi, cette étude constitue une étape fondamentale vers une compréhension approfondie de la violation CP et, indirectement, de l’asymétrie matière-antimatière qui caractérise notre univers.

Informations sur l’article original

Titre original: First Evidence for Direct 𝐶⁢𝑃 Violation in Beauty to Charmonium Decays Auteurs: R. Aaij, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson et al. (LHCb Collaboration) Source: Physical Review Letters Lien: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.101801 Catégories: Cabibbo–Kobayashi–Maskawa matrix, Bottom mesons, Charm quark, CP violation, Discrete symmetries, Hadron colliders Date de publication: 2025-03-12