Oscillations des Mésons Beaux : de l’expérience BABAR au LHCb

Je découvre sur internet : Astrophysique et hautes énergies : les oscillations des Mésons Beaux, et voici quelques lignes de cet article qui commencent à me guider dans la réalisation de cette œuvre :

Nous savons depuis une vingtaine d’années que la désintégration B est la signature de la présence des bosons lourds W+ W- . De même les oscillations B° anti B° sont induites par le dernier des quarks, le top dont la masse est égale à 200 fois celle du proton. Etudier ce phénomène va donc nous renseigner sur certaines propriétés du top.

A l’échelle microscopique, la gravitation étant négligeable, les interactions entre constituants élémentaires sont dominées par trois forces : électromagnétique, faible et forte. Dans le cadre théorique actuel, ces forces sont décrites par l’échange de particules. Le photon de masse nulle est responsable de l’interaction électromagnétique, les particules massives W+ W-et Z° de l’interaction faible et les gluons sont porteurs de l’interaction forte. Tous ces vecteurs de forces sont des particules de spin unité : ce sont des bosons.

Les autres constituants fondamentaux sont les leptons et les quarks, qui ont un spin ½, ce sont les fermions. Les particules de spin ½ sont regroupées en trois familles :

La matière qui nous entoure et nous constitue est formée à partir des éléments de la première famille qui contient l’électron, les quarks u (up) de charge + 2/3 et d (down) de charge – 1/3 ainsi que le neutrino-électron (ve).

La seconde famille contient le muon, le neutrino-mu , le quark c (ou charme) de charge + 2/3 et le quark s (ou strange) de charge – 1/3.

La dernière famille est formée du lepton chargé tau, du neutrino-tau, du quark t (ou top) de charge + 2/3 et du quark b (beauty ou bottom) de charge – 1/3.

Pour la bonne compréhension de l’œuvre voici la liste des quarks ainsi que les coloris les symbolisant sur l’œuvre :

quark up ou u : petite bille colori rouge
quark down ou d : petite bille colori vert
quark strange ou s : boule colori bleu marine
quark charmé ou c : boule colori orange
quark bottom ou b : boule colori jaune
anti b boule en colori orange
quark top ou t : boule colori jaune
J/psi : particule (notée avec un y barré) appartenant aux mésons et composée d’un quark charmé et d’un anti quark charmé en orange.

Les anti particules sont de même couleur que les particules, mais surmontées d’un trait horizontal.

Nous partons au centre de l’œuvre où les oscillations des mésons B sont symbolisées sur fond rouge et gris en diagonales. Je m’inspire d’un shéma trouvé page 47 d’Astrophysique et hautes énergies. Au centre de l’œuvre la boule jaune représente le quark top à partir duquel vont être produits les quarks B ou bottom.

Les oscillations : Anti B : en partant du centre de l’œuvre et jusqu’au bord du premier cercle où figurent les diagonales rouges et grises, dans la partie supérieure gauche un quark B en jaune suit une ligne + 2/3 et par l’intermédiaire d’ un boson W va se transformer en anti B en jaune orangé au centre de l’œuvre. Il va se transformer en en quark up, charme et top notés u,c,t, deux échanges de bosons W seront nécessaires afin que l’anti B° devienne un B°. A côté toujours à gauche un anti B° composé d’un quark b ainsi que d’un anti down (ou d’un anti strange) par l’intermédiaire d’un boson W et après transformation en top charmé et up, devient un méson B° composé d’un quark anti b en orange et d’un quark down (ou strange). Toujours dans les diagonales en bas à gauche et en haut à droite le méson anti B° en jaune composé d’un quark b ainsi que d’un quark anti down (ou anti strange) suit la ligne + 2/3 , le boson W traverse dans une autre direction à l’intérieur de la partie grise, les états intermédiaires des trois particules u,c,t, changent et ils se transforment en anti -particules, le quark b en jaune est devenu un anti b en orangé au centre de l’œuvre : il forme ainsi un méson B° avec le quark anti b ainsi qu’un quark down en vert (ou strange en bleu marine).

Restons au centre de l’œuvre dans la partie rouge, je lis la page 49 d’Astrophysique et hautes énergies : à LEP lors de la collision d’un électron et d’un positon avec une énergie dans le centre de masse d’environ 91 GeV, un Z° – médiateur de l’interaction électrofaible – est produit. Il se désintègre dans 70 % des cas en une paire de quark anti-quark parmi lesquelles 22 % sont des paires de b anti b. Ces quarks se fragmentent en hadrons beaux comprenant les mésons B°d et B°s en proportion d’environ 40 % et 10 % respectivement.

Afin de pouvoir mesurer la fréquence d’oscillations des mésons B, il faut pouvoir non seulement mesurer leur temps propre mais aussi savoir si le B° a oscillé ou non avant de se désintégrer. Il est donc nécessaire de savoir si le B° qui s’est désintégré était issu de la production initiale du B° ou d’un anti B° : c’est ce que l’on appelle l’étiquetage.

Sur l’œuvre dans les parties rouges au centre on voit les collisions entre électron e- et positon e+ qui donnent un boson Z°, et à son tour ce dernier va donner une paire de mésons B anti B en boules jaunes et orangé.

Sur l’œuvre dans le deuxième cercle gris avec triangles rouges en haut à gauche est indiqué la désintégration semi leptonique d’un méson anti B°s (ou strange) d’après les explications et shéma page 50 d’Astrophysique et hautes énergies. L’anti B° composé d’un quark b en boule jaune et d’un anti quark strange en boule bleu marine se désintègre en un méson D+ strange composé d’un quark charme en orange et d’un quark anti strange en bleu marine, ainsi que d’un électron noté e- et d’un anti neutrino noté ve ; le méson D+strange se désintègre à son tour en Kaon+ composé d’un quark u en rouge et d’un quark anti strange en bleu marine, en Kaon- composé d’un quark anti u en rouge et d’un quark strange en bleu marine, et en Pion+ composé d’un quark u en rouge et d’un quark anti down en vert.

Sur internet j’ai trouvé d’autres shémas à : (pdf) Bottom quarks at colliders :

Dans le deuxième cercle toujours à gauche en remontant sont représentées, parmi les états finaux du Bd, les désintégrations qui dominent sont celles qui donnent des mésons D+ D- et des Pions + et Pions – . Juste au dessus du premier cercle un anti B composé d’un quark b en jaune et d’un anti down en vert se transforme : l’anti down reste un anti down au bout de la ligne jaune, mais à côté et partant du quark b un quark u en rouge le rejoint et ils forment un pion+. Toujours provenant du quark b en jaune, sont produits un anti quark u et un d qui vont donner un pion -.

Toujours dans le deuxième cercle gris en haut et en allant vers le milieu, issus des mésons B anti B, on trouve un méson B°down composé d’un quark down en vert et d’un anti b en orange, ainsi qu’un méson B°strange composé d’un quark strange en bleu marine et d’un quark anti b en orangé.

Puis en tournant vers la droite un méson anti B composé d’un quark b en jaune et d’un anti down en vert se désintègre en mésons D+ et D- : le quark anti d au bout de la ligne jaune reste un anti d en vert, mais il est rejoint par un quark charmé en orange provenant du quark b : ils forment alors le méson D+ composé d’un quark charmé et d’un anti quark down. En provenance du quark b en jaune sont également produits un anti quark charmé en orange et un quark down qui forment le méson D-. Toujours en allant sur la droite figure à nouveau la désintégration de l’anti B° strange en méson D+ strange, puis en Kaon+ Kaon- et pion+ .

Shéma Bottom quarks at colliders : en redescendant à droite le méson anti Bs composé d’un quark b en jaune et d’un quark anti strange en bleu marine se désintègre en mésons D- strange et D+ strange : l’anti quark strange au bout de la ligne jaune reste un anti quark strange, mais il est rejoint par un quark charmé en orange provenant du quark b en jaune et ils forment ainsi le méson D+strange composé du quark charmé en orange et de l’anti quark strange en bleu marine. Provenant du quark b et par l’intermédiaire du boson W, la ligne jaune produit un quark strange et un quark anti charmé qui forment le méson D- strange : il est constitué du quark strange en bleu marine et de l’anti quark charmé en orange. Toujours en descendant à droite apparaît la résonance Y(4S) que nous découvrirons un peu plus tard.

En bas à droite toujours dans le deuxième cercle on trouve à nouveau un méson anti B°strange qui se désintègre en méson D+ strange, qui à son tour se désintègre en Kaon+ Kaon- et Pion+ .

En bas à droite nous tournons vers le centre où un méson B- fait penchant à celui du bord supérieur, et se transforme en pion+ et pion-. En tournant en bas vers la gauche à nouveau la collision électron positon donne un boson Z° qui à son tour donne un méson B anti B : ce méson se désintègre en un méson B° down et un méson B° strange. Nous tournons à gauche et nous retrouvons un anti B° strange, qui est le penchant de celui représenté en haut dans le bord supérieur droit. Il se désintègre donc en méson D+ strange ainsi qu’en un électron et un anti neutrino, puis le D+ strange se désintègre à son tour en Kaon+ Kaon- et Pion+.

Nous remontons en bas à gauche et nous retrouvons l’anti B° strange qui est le penchant de celui représenté en haut à droite. Nous voyons à nouveau la désintégration en méson D- strange et méson D+ strange.

Toujours dans le deuxième cercle à gauche en remontant un électron e- et un positon e+ donnent par la résonance Y(4S) un méson B+ (un quark up et un anti b) et un méson B° ‘un quark b et un quark anti down). Toujours en remontant à gauche un anti B°d (quark b en jaune et quark anti down en vert) : le quark b par l’intermédiaire du boson W se désintègre en un méson D- composé d’un quark anti charme en orange et d’un quark down en vert. Le quark down reste un quark anti down au bout de la ligne jaune, mais il est rejoint par un quark charmé provenant du quark b, et il forme avec le quark anti d le méson D+ (un quark charmé en orange et un quark anti d en vert).

En haut de l’œuvre et au delà du deuxième cercle, dans le bord supérieur gauche nous découvrons : l’expérience BABAR inverse le temps. Le schéma symbolisant les mésons B neutres et le renversement du temps est représenté aux quatre angles de la toile.

Petit historique de l’expérience BABAR : le 14 décembre 2012 « Physic World » a dévoilé sa liste des dix percées scientifiques en physique pour l’année 2012. La première place revient à la découverte d’une nouvelle particule compatible avec le Boson de Higgs (expériences ATLAS et CMS au CERN). La quatrième est remportée par l’observation du mouvement des amas de galaxies par l’expérience BOSS. Classée en troisième position figure la première mesure directe de la violation de l’invariance par renversement du temps effectuée par la collaboration BABAR. D’abondants résultats continuent à être produits quatre ans après, au rythme impressionnant d’une trentaine de publications par an. Pour l’analyse en troisième position, il s’agit de la première observation directe de la violation de la symétrie par renversement du temps.

Le Renversement du Temps : suivez le guide :

Cette mesure est rendue possible dans le système des mésons B neutres, en sélectionnant deux réactions symétriques l’une de l’autre par renversement du temps : pour cela voyons deux mésons B produits dans la désintégration de la résonance Y(4S).

Tout en haut à gauche de l’œuvre et également reproduite aux trois autres angles de la toile découvrons la résonance Y( 4S) : un électron e- et un positron e+ donnent quatre mésons /

Expérience BABAR : état quantique intriqué :

La mesure de l’état dans lequel se trouve le premier méson B (un B° au bout de la ligne en tirés jaunes) nous renseigne sur l’état du second méson un anti B° au même instant. Ce second méson peut ensuite changer pour devenir un B- au bout de la ligne ondulatoire en orangé. Le méson B° est identifié par le signe du lepton issu de sa désintégration semi leptonique (B° donne l+ + x) pour étiqueter le méson anti B°. Le méson B- est identifié par sa désintégration en J/psi (deux quarks charmés en orange) et en Kaon short (un quark down en vert et un quark anti strange en bleu marine). Inversement, on utilise un méson B+ (un quark up en rouge et un quark anti b en orangé) caractérisé par sa désintégration en J/psi (deux quarks charmés en orangé) et en Kaon long (un quark strange et un quark anti down), pour étiqueter le méson B- ; il se change alors en anti B° au bout de la ligne ondulatoire orange, lui même identifié par sa désintégration semi leptonique en un lepton l- et x.

Intrication quantique anti B° en B- et B- en anti B° et Renversement du Temps : shémas représentés aux quatre angles de la toile.

Entre la résonance Y(4S) et les lignes ondulatoires en orangé est symbolisé le temps par une ligne en tirés jaunes. Une petite flèche jaune au bout d’une ligne recourbée symbolise le renversement du temps : la transformée de anti B° par B- et B- par anti B° s’obtient en inversant l’état initial et l’état final.

La mesure de la violation de l’invariance par renversement du temps n’est possible qu’auprès d’un collisionneur électron-positron car elle nécessite la résonance Y(4S), la collaboration BABAR l’a mise en évidence en utilisant le phénomène d’intrication quantique.

Sur l’œuvre l’intrication quantique anti B° en B-et B- en anti B° et renversement du temps sont représentés aux quatre angles de la toile.

Tout en haut à gauche nous venons donc de voir la résonance Y(4S), en tournant maintenant à droite voici le méson anti D° : il se désintègre en Kaon+ (un quark up et un anti strange) en pion – (quark down et quark anti up) et en pion ° (quark down et quark anti down). En haut au milieu à partir de la résonance Y(4S) e- e+ , et d’après un shéma p 25 de « Measurement of CKM – angle y with charmed B meson decays :

Un méson B se désintègre en pion- kaon- pion- et pion +, le second noté B tag se désintègre en pion – kaon + lepton + et en trois autres jets. Nous continuons et arrivons au méson D – qui se désintègre en kaon + pion – pion +.

A droite nous redescendons sous la résonance Y(4S) et nous arrivons à la collision électron e- et positron e+, avec une énergie d’environ 91 GeV : cela donne un boson Z° qui se désintègre en b et anti b, qui à leur tour se fragmentent en hadrons beaux comprenant B°d et B°s (40 % et 10 % respectivement). Même schéma à l’opposé complètement à gauche.

Physique des interactions fondamentales : page 92 : Les KAONS révèlent la violation de CP (charge-parité) :

Complètement à droite et au milieu en redescendant au bord de l’oeuvre un Kaon° (quark down et anti quark strange) se désintègre en anti Kaon° (quark strange et quark anti down). La symétrie CP est respectée par la nature, ces états sont des combinaisons linaires K° – anti K°.

Page 93 : l’expérience de 1964 a montré qu’il n’en n’est pas ainsi. Les états physiques sont en fait formés d’un léger mélange des états de CP : les Kaons de longue durée de vie (KL) contiennent une petite proportion de kaons 1 susceptibles de se désintégrer en deux pions. Nous observons ceci sur le bord de l’œuvre complètement à gauche et en redescendant , le kaon par l’intermédiaire d’un photon gluon et Z, se désintègre en un pion + et un pion – : il s’agit alors de la violation directe de charge-parité. En redescendant sous les diagrammes des Kaons, un méson B+ à droite se désintègre en anti D° et en pion +, tandis qu’un autre B+ sur le bord gauche se transforme en D° et en pion +.

Bottom Quarks at colliders : tout en bas à gauche d’après la page 29 (Huge Control Signals) un B° donne un K°et un J/psi ; à droite un B° donne un méson D et trois pions, en bas au milieu un B+ donne un K+ et un J/psi.

J’espère que cette traversée dans le monde de la physique des particules vous a permis d’apprécier les oscillations des Mésons Beaux ainsi que les produits de leurs désintégrations, et vous incitera à découvrir les expériences menées au LHCb.