L’expérience ATLAS du Grand collisionneur de hadrons (LHC) a réalisé une nouvelle mesure de haute précision de la durée de vie du méson de beauté neutre (B0) – une particule composée d’un anti-quark bottom et d’un quark down.
Durées de vie et interactions fondamentales
Les mésons de beauté sont des particules constituées de deux quarks, dont l’un est un quark bottom. En étudiant les mésons B, les physiciens peuvent sonder des phénomènes rares et prédits avec précision pour approfondir leur compréhension des interactions médiées par la force faible et de la dynamique des états liés de quarks lourds. La mesure précise de la durée de vie du méson B0 – le temps moyen pendant lequel il existe avant de se désintégrer en d’autres particules – est d’une importance capitale dans ce contexte.
La quête d’une haute précision
Dans sa nouvelle étude, ATLAS a recherché la désintégration du méson B0 en un kaon neutre excité (K*0) et un méson J/ψ. Ce dernier se désintègre à son tour en une paire de muons, tandis que le K*0 est étudié via sa désintégration en un pion chargé et un kaon chargé. L’analyse repose sur des données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS lors de la deuxième période d’exploitation du LHC (2015-2018), représentant un ensemble de données impressionnant de 140 femtobarns inverses.
Résultats sans précédent
Les chercheurs d’ATLAS ont mesuré la durée de vie du méson B0 à 1,5053 picosecondes (1 ps = un billionième de seconde), avec une incertitude statistique de 0,0012 ps et une incertitude systématique de 0,0035 ps. Ce résultat est le plus précis à ce jour et améliore considérablement les mesures précédentes, notamment un précédent résultat d’ATLAS (voir figure ci-dessous).
Pour atteindre une telle précision, de nombreux défis expérimentaux ont dû être relevés, notamment la minimisation des incertitudes systématiques, la modélisation précise et l’amélioration de l’alignement du détecteur.
En plus de mesurer la durée de vie du méson B0, l’équipe d’ATLAS a calculé sa « largeur de désintégration ». La largeur est un paramètre fondamental de toute particule instable avec une durée de vie finie. Plus la durée de vie est courte, plus la largeur de désintégration est large – une conséquence directe de la relation d’incertitude de Heisenberg en mécanique quantique. La largeur de désintégration du méson B0 a été mesurée à 0,664 ps-1, avec une incertitude totale de 0,004 ps-1.
Les chercheurs ont ensuite comparé ce résultat à une mesure précédente de la largeur de désintégration du méson Bs0 (composé d’un quark bottom et d’un quark étrange). Ils ont constaté que le rapport des largeurs de désintégration était cohérent avec l’unité, reflétant les valeurs proches des largeurs mesurées. Ces résultats sont conformes aux prédictions des modèles de quarks lourds et peuvent être utilisés pour affiner ces prédictions.
Retombées et perspectives
Les nouvelles mesures de précision d’ATLAS améliorent la compréhension des désintégrations médiées par la force faible dans le Modèle standard et fournissent des données précieuses pour les futurs développements théoriques.
Mots-clés : CERN, ATLAS, Boson de beauté, Détecteur LHC, Physique des particules