Les Mésons B et Les Diagrammes Pingouin

Le LHC est l’outil idéal pour explorer la physique au delà du modèle standard, et pour pénétrer dans la physique des mésons B.
Or la collaboration « Belle » travaillant dans le cadre du KEK à Tsukuba au Japon vient de publier des résultats qui ne s’expliquent pas dans le cadre du modèle standard. L’accélérateur KEKB à Tsukuba, lui même est un collisionneur à électrons-positrons, dédié à la production des mésons B. Cette véritable usine à mésons B génère des produits de désintégrations étudiés avec « Belle » dans le cadre d’une collaboration internationale comportant près de 400 chercheurs.
Plus de 800 millions d’évènements avec production de paires de mésons B et anti mésons B ont déjà été enregistrés, avec une analyse des produits de désintégrations en paires de leptons (électrons ou muons) avec un méson K : et cela semble échapper aux prédictions du modèle standard.
Or il se trouve que les calculs faisant intervenir les « diagrammes de Feynman Pingouin » donnent des probabilités de réactions avec des combinaisons de particules comme par exemple les quarks « b » et « t » ou encore les bosons W et Z du modèle électrofaible.
La Supersymétrie ajoute de nouveaux Diagrammes Pingouin, au final certains taux de réactions sont changés.

Pour la bonne compréhension de l’œuvre, voici quelques rappels en physique des quarks :
• quark up ou « u » : charge électrique + 2/3, masse : 2MeV.
• quark down ou « d » : charge électrique – 1/3, masse : 5 MeV
• quark strange ou « s » : charge électrique – 1/3, masse : 95 MeV
• quark charme ou « c » : charge électrique + 2/3, masse : 1,25 GeV
• quark bottom ou « b » : charge électrique – 1/3, masse : 4,2 GeV ; c’est le constituant du méson B, particule très étudiée.
• Les mésons B : particules constituées de deux quarks, dont un quark « b » ou un anti « b » ainsi qu’un quark « u » ou un anti « u » ou bien un quark « d » ou un anti « d ».
• Les anti particules sont de même couleur que les particules, mais surmontées d’un trait horizontal et elles sont de charge opposée.

– Les Leptons :
• quark top ou « t » : charge électrique + 2/3, masse : 171 GeV
• électron ou « e- » : charge électrique -1 , masse : 0,511 MeV
• positron ou « e+ » : idem mais de charge électrique positive
• muon : charge électrique -1, masse : 106 MeV , une sorte d’électron massif instable.
• neutrino électronique ou « ve » : charge électrique 0, insensible à l’électromagnétisme comme à l’interaction forte, joue un rôle essentiel dans la radioactivité B.

• Les Bosons : ils transmettent chacune des interactions fondamentales.
• Bosons W+ et W- : charge électrique +1 ou -1, masse : 80,4 GeV , particules médiatrices de l’interaction faible. Ils changent la charge et la nature des particules qu’ils relient. Leur portée n’est que de 10 puissance -18 mètre.

• Les Gluons :
• les gluons ou « g » : charge électrique 0, masse : 0. Ils représentent les particules médiatrices de l’interaction forte, ils agissent sur les quarks et les autres gluons, et ne participent pas aux interactions électromagnétique et faible.

Partons au centre de l’œuvre où dans le cercle bleu marine figure un méson B-, constitué d’un quark b (boule jaune) et d’un quark anti u (bille rouge) entre lesquels évolue la foule des gluons.
Sous ce cercle dans la partie rouge et grise, le méson B- se désintègre en un méson K excité, constitué d’un quark « s » en boule bleue et d’un quark anti « u » en bille rouge ; dans la partie rouge ce même méson B passe également, par l’intermédiaire d’un boson W, par un état de quark « t » en boule jaune/orangé, puis se désintègre en une paire de leptons, des muons- anti muons en boules bleu roi.
Nous remontons lentement sur la gauche, dans la partie grise apparaît un méson B° constitué d’un quark anti b en boule jaune et d’un quark d en bille verte. Apparaît également une boucle ondulatoire jaune, un W+, qui produit au bout de la ligne droite jaune un quark anti s en boule bleu marine, et duquel part un gluon en torsade verte qui se désintègre ensuite en un pion° : un quark « u » et un quark anti « u ». Nous continuons à remonter dans la partie rouge à gauche du rond central, nous croisons à nouveau un méson B avec un quark « b » en boule jaune et un quark anti u en petite bille jaune ; le méson B se désintègre à nouveau en un kaon composé d’un quark strange « s » en bleu clair et d’un quark anti u en bille rouge, puis par l’intermédiaire d’un boson W et d’une boucle de quark top (boule en orange notée « t »), il se désintègre également en une paire d’électron-positron notée « e+ » et « e- » en petites billes en coloris bleu marine. Un peu plus haut dans la partie grise, c’est un méson B+ constitué d’un quark anti b en boule jaune et d’un quark « u » en petite bille jaune qui apparaît : par l’intermédiaire d’un boson W sont produits un méson Kaon+ composé d’un d’un quark « u » (bille rouge) et d’un quark anti « s » (boule bleu marine) ainsi qu’un pion° composé d’un quark « u » en bille rouge produit à partir du quark initial « u » en jaune et d’un quark anti « u » en bille rouge produit à partir du quark anti b.
Nous tournons sur la droite juste au dessus du cercle central, nous sommes dans la partie rouge où nous croisons un méson B avec un quark « b » en boule jaune et un quark anti u en petite bille jaune : à nouveau il se désintègre en un Kaon « excité » avec un quark « s » en bleu et un quark anti u en petite bille rouge, ainsi qu’en une paire d’électron-positron notée « e+ » et « e- », par l’intermédiaire d’une boucle de quark top ou « t » en boule orange et d’un boson Z. Tournons à droite dans la partie grise où nous découvrons un méson B° composé d’un quark anti b en boule jaune et d’un quark « d » en petite bille verte : il se désintègre en un pion- composé d’un quark « d » en bille verte et d’un quark anti u en bille rouge, ainsi que d’un Kaon+ constitué d’un quark « u » en bille jaune sur fond gris et d’un quark anti « s » en boule bleu marine au dessus sur fond rouge ; ce kaon+ est produit par l’intermédiaire d’un boson W+ en jaune dans la partie grise.
Redescendons à droite dans la partie rouge, nous croisons à nouveau un méson B° composé d’un quark anti b en boule jaune sur fond gris et d’un quark « d » en bille verte sur fond rouge : il se désintègre en un Kaon+ (quark anti « s » en boule bleu marine et quark « u » en bille jaune) ainsi qu’en un pion- (quark anti »u » en bille jaune et quark « d » en bille verte). Juste au dessous un autre méson B (quark « b » en boule jaune et quark anti « u » en bille rouge sur fond gris) se désintègre à nouveau en un kaon « excité »composé d’un quark « s » en boule bleue et d’un quark anti « u » en bille rouge dans la partie grise, ainsi qu’en un muon et un anti muon en boules bleues dans la partie rouge, par l’intermédiaire d’un quark top ou « t » en boule orange et d’un boson Z. Toujours à droite sur le fond gris, un quark « b » se désintègre dans la partie rouge en un pion- (quark anti « u » en jaune et quark « d » en vert) ainsi que par l’intermédiaire d’un boson W- en un quark charmé ou « c » en boule orange sur fond rouge. Nous sommes en bas à droite dans la partie en coloris rouge juste sous le cercle central : un méson B+ constitué d’un quark « b- » en boule jaune sur fond rouge et d’un quark « u » en bille rouge sur fond gris se décompose en un pion° (quark « u » en bille rouge sur fond gris et quark anti « u » en bille jaune sur fond rouge) ainsi qu’en un pion+ (quark « u » en bille jaune et quark anti « d » en bille verte)par l’intermédiaire d’un boson W. Juste au dessous, un pion- composé d’un quark anti »u » en bille rouge sur fond gris et d’un quark « d » en bille verte sur fond rouge se désintègre par l’intermédiaire d’un boson W- en un anti muon en boule bleue et en un anti neutrino muonique en petite bille rose sur fond rouge.

Nous continuons notre route dans l’infiniment petit dans le deuxième cercle au delà du cercle central. Nous sommes tout en bas dans la partie grise où apparaît un quark « c » ou charmé en boule orange provenant de la désintégration du quark « b » (boule jaune au dessus dans la partie rouge) ainsi qu’un anti muon en boule bleue et un anti neutrino électronique en petite bille rose dans la partie rouge.
Tournons lentement à gauche toujours en bas de l’œuvre dans la partie verte : un méson B+ (quark anti « b » en boule jaune et quark « u » en bille rouge) se désintègre en un pion° (quarks « u » et anti « u » en billes jaunes sur fond rouge) ainsi qu’en un Kaon+ (quark anti «s » en boule bleu marine et quark « u » en bille rouge).

Remontons toujours à gauche dans la partie rouge du deuxième cercle au delà du cercle central et juste au dessous dans la partie grise du troisième cercle : découvrons un premier « Diagramme Pingouin » : dans la partie rouge, un quark anti « b » en boule jaune et un quark anti « s » en boule bleu marine sont reliés par un anti-gluon en torsade verte, puis les deux lignes en tirés jaunes se rejoignent en forme triangulaire qui donne un gluon en torsade bleu marine dans la partie grise : le gluon se scinde en un quark « s » et en un quark anti « s » au bout des lignes jaunes sur fond gris.
Remontons sur la gauche dans la partie verte du deuxième cercle où apparaît un méson B° (quark « b » en boule jaune et quark anti « d » en bille jaune) qui se désintègre dans la partie bleu marine en deux Kaons°, l’un composé d’un quark « s » en boule bleue et d’un quark anti « d » en bille jaune, l’autre composé d’un quark anti « s » en boule bleue et d’un quark « d » en bille jaune
Continuons à remonter à gauche où apparaît un autre « Diagramme Pingouin » dans la partie grise du deuxième cercle: un quark anti « b » en boule jaune sur fond vert et un quark anti « s » en boule bleu marine sur fond gris se rejoignent dans la partie grise, et par l’intermédiaire d’un boson W+ et d’une boucle de quark anti top (lignes jaunes entourant un intérieur rouge), vont donner dans la partie verte un gluon en torsade bleu marine qui se désintègre sur le fond vert du troisième cercle en un quark « s » (boule bleu marine sur fond rouge) et en un quark anti « s » en boule bleu marine sur fond vert.
Plus haut dans la partie verte, toujours en tournant sur la gauche, un méson B- (un quark « b » en boule jaune et un quark anti « u » en bille rouge) se désintègre au dessus dans la partie grise en un Kaon-, composé d’un quark « s » en boule bleue et d’un quark anti « u » en bille rouge, ainsi qu’en un Kaon° composé d’un quark anti « s » en boule bleue et d’un quark « d » en bille verte.
Nous tournons dans le deuxième cercle vers le haut à gauche où apparaît un autre diagramme Pingouin dans les parties en coloris rouge et vert. Dans la partie rouge un méson B constitué d’un quark anti b (boule jaune) et d’un quark anti « s » (boule bleu marine) reliés par un anti gluon « g » en torsade bleu marine, se désintègre au bout du triangle en tirés jaunes par l’intermédiaire d’un gluon en torsade bleu marine en un quark « s » (boule bleu marine) et en un quark anti « s » (boule bleu marine) dans la partie verte. Toujours en haut de l’œuvre, tournons lentement à droite dans la partie verte et dans la partie grise : nous croisons un méson B° constitué d’un quark « b » en boule jaune sur fond vert ainsi que d’un quark anti « d » en bille verte sur fond gris. Par l’intermédiaire d’une boucle de quark « t » en jaune avec intérieur rouge, est produit un gluon en torsade rouge qui se désintègre en un quark « s » et un quark anti « s » en boules bleu marine ; ces deux quarks associés de chaque côté au quark « d » et au quark anti « d », donnent en produits finaux deux kaons° : l’un avec un quark « d » et un quark anti « s » sur fond vert, l’autre avec un quark « s » sur le fond vert et un quark anti « d » sur fond gris.
Tournons en haut sur la droite dans la partie rouge du deuxième cercle : nous croisons un kaon+ composé d’un quark « u » en bille jaune et d’un quark anti strange en boule bleu marine : puis apparaît la production des mésons B à partir d’un électron e- en bille bleu marine et d’un positron e+ en bille bleu marine : la ligne ondulatoire jaune du boson Z va conduire à la production des deux mésons B° juste au dessus dans les parties en coloris vert et bleu marine : on aperçoit sur fond vert le premier méson B° constitué d’un quark anti « b » en boule jaune et d’un quark « d » en bille jaune, sur fond bleu marine on découvre le deuxième méson anti B° constitué d’un quark « b » en boule jaune et d’un quark anti « d » en bille verte.

LES DIAGRAMMES PINGOUIN :
Descendons lentement sur la droite dans la partie verte surmontée des parties en coloris bleu marine et rouge du troisième cercle : nous voici devant un autre diagramme Pingouin : un quark anti « s » en boule bleu marine dans la partie verte et un quark anti « b » en boule jaune sur fond gris se rejoignent par l’intermédiaire d’un boson W+ et d’une boucle de quark anti « t » en ligne jaune avec intérieur rouge sur fond vert : ils se désintègrent par l’intermédiaire d’un gluon en torsade bleu marine sur fond rouge au dessus, en un quark anti « s » en boule bleue sur fond bleu marine et en un quark « s » sur fond rouge . Sur cette même partie rouge, un quark charmé « c » en boule orange produit un quark « s » en boule bleu marine ainsi que par l’intermédiaire d’un boson W+ un positron « e+ » et un neutrino électronique « ve ».
Continuons la descente à droite dans le deuxième cercle sur fond gris nous croisons un méson B° composé d’un quark b et d’un quark anti « d » : une ligne droite en jaune part du quark « b » pour aboutir au quark anti « d » ; en partant du quark anti « d » et en passant par une boucle du boson W-, on voit au bout de la ligne jaune située dans la partie verte, la désintégration en quark « d » ainsi que celle en quarks « s » et anti « s » en boules bleu marine sur fond vert par l’intermédiaire d’un gluon en torsade rouge sur fond gris.
Toujours dans le deuxième cercle dans la partie verte ainsi que dans la partie bleue du troisième cercle, nous rencontrons un Diagramme PINGOUIN : dans la partie verte un quark anti « s » en boule bleu marine relié, par un anti gluon en torsade rouge, au quark « b » en boule jaune sur fond rouge, se désintègre en un gluon en torsade rouge, puis en un quark « s » et un quark anti « s » dans la partie bleue du troisième cercle.
En redescendant à droite dans la partie rouge du deuxième cercle apparaît un méson B- composé d’un quark « b » en boule jaune et d’un anti quark « u » en bille jaune ; ils se désintègrent dans la partie grise au bord de l’œuvre en un kaon- composé d’un quark « s » en bleu et d’un quark anti « u » en rouge, ainsi qu’en un kaon° composé d’un quark anti « s » en bleu et d’un quark « d » en vert.
Un peu plus bas dans le deuxième cercle et dans la partie grise un autre Diagramme PINGOUIN apparaît avec quark «s » en boule bleu marine sur fond rouge et quark anti « b » en boule jaune sur fond gris : par l’intermédiaire d’un boson W+ et d’une boucle de quark « t » (lignes jaunes entourant un intérieur rouge), le quark, »s » et le quark anti « b » se désintègrent dans la partie verte,par l’intermédiaire d’un gluon en torsade bleu marine, en un quark « s » et un quark anti « s » en boules bleu marine.
Continuons en bas de l’œuvre à droite : dans la partie verte du deuxième cercle un quark charmé noté « c » en boule orange se désintègre dans la partie rouge du troisième cercle, par l’intermédiaire d’un boson W+, en un quark « s » en boule bleu marine, un positron « e+ » en bille bleu marine et un neutrino électronique « ve » en bille rose.
Continuons à tourner tout en bas de l’œuvre jusqu’à l’angle gauche. Après avoir croisé un J/psi composé de deux quarks charmés en boules orangé, nous voici dans la partie en coloris bleu marine tout au bord de l’œuvre : à partir d’un électron et d’un positron, notés e+ et e-, sont produits deux mésons : un B° et un anti B° dont nous venons d’observer les désintégrations.
Remontons en bas à gauche dans la partie en coloris rouge tout au bord de l’œuvre : un quark « c » en boule orange se désintègre par l’intermédiaire d’un boson W+ en un quark « s » en boule bleu marine, un quark « u » en bille jaune et un quark anti « d » en bille verte. Toujours au bord de l’œuvre à gauche en remontant dans la partie verte, nous croisons un kaon° composé d’un quark « d » en bille jaune et d’un quark anti « s » en boule bleue ; toujours en remontant dans la partie grise, nous voici devant un méson « phi » composé d’un quark « s » et d’un quark anti « s » en boules bleu marine. Nous sommes en haut au bord de l’œuvre à gauche dans la partie verte où nous rencontrons un kaon- composé d’un quark « s » en boule bleu marine et d’un quark anti « u » en bille rouge ; juste au dessus nous voici devant un kaon° composé d’un quark anti « s » en boule bleu marine et d’un quark « d » en bille jaune.
Nous voici tout en haut dans l’angle gauche au bord de l’œuvre : sur fond bleu marine nous rencontrons un méson anti B° composé d’un quark « b » en boule jaune et d’un quark anti « d » en bille verte. Le quark « b » se désintègre par l’intermédiaire d’un boson W, en deux quarks charmés ou J/psi en boules orangé ainsi qu’en un quark « d » en bille verte. Le quark anti « d » du méson anti B° se désintègre au bout des lignes droites en coloris jaune en un quark anti « d » en bille verte.
Tout en haut à gauche, tournons vers la droite : quark charmé en boule orange se désintègre sur fond bleu marine en un quark « s » en boule bleue, et par l’intermédiaire d’un boson W+sur fond rouge, en un positron « e+ » en bille bleu marine et en un neutrino électronique « ve » en bille rose. Toujours en tournant à droite en haut et sur la gauche dans la partie en bleu marine du troisième cercle, nous rencontrons un quark charmé en boule orange : par l’intermédiaire d’un boson W+, il se désintègre en un quark « s » en boule bleu marine ainsi qu’en un quark « u » en bille rouge et en un quark « d » en bille verte : à côté apparaît un kaon°.
Continuons à tourner vers la droite tout en haut au bord de l’œuvre dans la partie rouge : on aperçoit un électron en bille bleu marine et un anti neutrino électronique en bille rose ainsi qu’un quark charmé en boule orange, ce sont les produits de la désintégration du quark « b » situé juste en dessous dans la partie en coloris gris. Poursuivons au bord de l’œuvre dans la partie verte : apparaît un premier méson B° constitué d’un quark anti « b » en boule jaune et d’un quark « d » en bille jaune, puis à droite sur fond bleu marine apparaît un second méson B° : tous deux proviennent, par l’intermédiaire d’un boson Z symbolisé par la ligne ondulatoire jaune, de la désintégration d’un électron « e- » et d’un positron « e+ » figurant juste dessous sur fond rouge.
Toujours en haut à droite un quark « c » en boule orange se désintègre en un quark « s » ou strange sur fond vert et par l’intermédiaire d’un boson W+ en un quark « u » (bille rouge sur fond vert) et en un quark anti « d » (bille verte sur fond bleu marine).
Tout en haut à droite sur fond bleu marine, un électron « e- » et un positron « e+ » en petites billes bleues se désintègrent en deux mésons B° : un méson B° (quark anti « b » et quark « d ») ainsi qu’un méson anti B° (quark « b » et quark anti « d »).
En redescendant sur le bord droit et sur fond gris, un quark « d » en bille verte et un quark anti « u » en bille rouge se désintègrent en un muon en boule bleue sur fond bleu marine et en un anti neutrino muonique en bille rose sur fond gris.
Nous descendons sur le bord droit de l’œuvre et nous arrivons en bas dans la partie rouge où un quark strange ou « s » en boule bleu marine se désintègre en un électron en bille bleu marine et en un anti neutrino électronique en bille rose ainsi qu’en un autre lepton en bille bleue sur fond bleu marine.
Tout en bas à droite dans l’angle sur la partie en coloris bleu marine, un méson B° composé d’un quark anti « d » en bille verte et d’un quark « b » en boule jaune se désintègre en deux quarks charmé et anti charmé en boules en coloris orangé ainsi qu’en un quark « s » et en un quark anti « s » en boules bleues.
Tournons ensuite tout en bas de l’œuvre jusqu’à l’angle gauche où apparaît à nouveau dans la partie bleu marine le processus de production des mésons B à partir d’un électron « e- » et d’un positron « e+ » en petites billes bleues.
Nous venons de terminer une première promenade parmi les mésons B au cours de laquelle nous avons observé les interactions et les mille transformations du petit monde des quarks. J’espère vous conduire dans de futures œuvres, au fil des avancées scientifiques, dans la découverte et la compréhension au cœur de la matière.