Dans le Big Bang, la matière et son antiparticule l’antimatière auraient dû être créées en quantités égales. Pourtant, 13,8 milliards d’années plus tard, l’Univers est constitué presque entièrement de matière. Un déséquilibre intrigant, dont les causes restent obscures.
Le Modèle standard de la physique des particules prédit une asymétrie entre matière et antimatière, connue sous le nom de violation de symétrie charge-parité (CP). Cependant, l’ampleur de cette asymétrie dans le Modèle standard est insuffisante pour expliquer le déséquilibre observé. La violation de CP n’ayant été observée que dans certaines désintégrations de mésons, composés d’un quark et d’un antiquark, il restait à déterminer son existence dans d’autres désintégrations de mésons et dans celles d’autres types de particules, comme les baryons constitués de trois quarks.
Dans deux articles récents, la collaboration LHCb du Grand collisionneur de hadrons (LHC) révèle des preuves de violation de CP dans les désintégrations de baryons et dans celles de hadrons de beauté en particules de charmonium. Ces découvertes éclairent ainsi deux pièces du puzzle matière-antimatière.
Des expériences comme LHCb avaient déjà recherché la violation de CP dans les baryons en analysant les différences de désintégrations entre les baryons de matière et d’antimatière. Ces recherches étaient jusqu’à présent restées infructueuses. L’une des études de LHCb avait fourni des indices de ce processus dans une désintégration particulière du baryon lambda inférieur, mais ces indices n’avaient pas été confirmés lors d’études ultérieures sur un échantillon plus large de désintégrations.
Dans sa nouvelle étude, l’équipe LHCb a analysé des données de collisions proton-proton collectées lors des première et deuxième campagnes du LHC pour rechercher différents modes de désintégration du baryon lambda inférieur, notamment sa désintégration en un baryon lambda et deux kaons. L’équipe a ensuite recherché une violation de CP dans chaque mode de désintégration en dénombrant les désintégrations du baryon lambda inférieur et de son partenaire antimatière, puis en calculant la différence entre les deux. Pour la désintégration en un baryon lambda et deux kaons, cette différence a révélé des preuves de violation de CP avec une signification statistique de 3,2 écarts-types.
Dans une seconde étude, l’équipe LHCb s’est penchée sur la désintégration du méson de beauté chargé en un J/psi et un pion chargé. Le J/psi est une particule de charmonium, un méson constitué d’un quark charme et d’un antiquark charme. En effectuant une analyse similaire à celle de l’étude sur le baryon lambda inférieur, à partir des données des première et deuxième campagnes du LHC, les chercheurs de LHCb ont mis en évidence une violation de CP dans ce mode de désintégration du méson de beauté chargé, encore une fois avec une signification statistique de 3,2 écarts-types. Cette découverte apporte des preuves de violation de CP dans les désintégrations de hadrons de beauté en particules de charmonium.
Ces deux études constituent des étapes importantes pour établir l’existence ou non d’une violation de CP dans ces types de désintégrations. Les données de la troisième campagne du LHC et de sa future mise à niveau, le LHC à haute luminosité, devraient apporter de nouveaux éclairages sur ces pièces du puzzle matière-antimatière.
Mots-clés : LHCb, matière-antimatière, violation de CP, baryons, hadrons de beauté