Le 14 décembre 2012, « Physics World » a dévoilé sa liste des dix percées scientifiques en physique pour l’année 2012. Des physiciens du Service de Physique des Particules de l’Irfu sont impliqués dans trois des quatre plus importantes publications de 2012 selon ce classement. La première place revient à la découverte d’une nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS sur le LHC 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. Ce résultat qui est expliqué ci-dessous.
L’expérience BABAR [1] a fonctionné auprès du collisionneur électron-positron PEP-2 au SLAC en Californie de 1999 à 2008. Quatre ans après la fin de la prise des données, les physiciens de cette collaboration continue de produire d’abondants résultats au rythme impressionnant d’une trentaine de publications par an. L’une de ces analyses, après avoir fait la couverture de « Physical Review Letters » le 19 novembre 2012, vient d’être sélectionnée, en troisième position, dans la liste des dix percées scientifiques de l’année en physique, tous domaines confondus, par le journal « Physics World » [2]. Il s’agit de la première observation directe de la violation de la symétrie par renversement du temps [3] (symétrie notée T).
La violation de la symétrie CP, produit de la conjugaison de charge C (transformation d’une particule en son antiparticule) et de la parité P (symétrie miroir) a été établie dans le système des mésons B (particules formées de deux quarks dont un quark b) par les collaborations BABAR et BELLE [4]. Or en partant d’hypothèses très générales, on peut démontrer que la symétrie globale CPT doit être conservée. Si la symétrie CPT est conservée, la violation de CP implique donc la violation de la symétrie T. Restait à mesurer cette violation de manière directe sans faire intervenir l’invariance sous CPT. C’est ce que la collaboration BABAR vient de réaliser.
Cette mesure est rendue possible dans le système des mésons B neutres car il est possible de sélectionner dans ce système deux réactions qui sont symétriques l’une de l’autre par renversement du temps. La méthode pour sélectionner ces réactions utilise le fait que les deux mésons B produits dans la désintégration de la résonance Υ(4S) sont dans un état quantique intriqué : la mesure de l’état dans lequel se trouve le premier méson B qui se désintègre à l’instant t1 (par exemple un B0) nous renseigne sur l’état du second méson (qui est alors dans ce cas un B0) au même instant. Ce second méson peut ensuite changer d’état (pour devenir un B-) depuis l’instant t1 jusqu’à l’instant t2 où il se désintègre. Ce processus est schématisé sur la partie supérieure de la figure. Sur cet exemple, le méson B0 (état propre de saveur) est identifié par le signe du lepton issu de sa désintégration semileptonique (B0→l+x) pour étiqueter le méson B0 tandis que le méson B- (état propre de CP du méson B neutre, l’indice « - » ou « + » indique le signe de la valeur propre correspondante) est identifié par sa désintégration en B-→J/ψ Ks. Inversement, on utilise le méson B+, caractérisé par sa désintégration en B+→J/ψ KL, pour étiqueter le méson B- qui se change en B0 lui-même identifié par sa désintégration semileptonique (B0→l-x). Cette deuxième réaction est indiquée dans la partie inférieure de la figure. On construit ainsi des processus transformés l’un de l’autre par renversement du temps : la transformée de B0→B- par T, B-→B0, s’obtient en inversant l’état initial et l’état final. En mesurant la différence des taux d’événements entre de tels processus symétriques par T, la collaboration BABAR a mis en évidence, avec un niveau de confiance de 14 σ, la violation de l’invariance par renversement du temps.
Deux processus symétriques l’un de l’autre par renversement du temps. En haut, un état propre de saveur B0 à l’instant t1 donne un état propre de CP B- à l’instant t2. En bas, l’état B- à l’instant t1 donne l’état B0 à l’instant t2. Dans les deux cas, l’état final est déterminé par la désintégration du méson B considéré, tandis que l’état initial est déduit de la désintégration de l’autre méson B dans l’événement.
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 de se placer exactement à la résonance Υ(4S) pour produire dans un environnement propre des paires intriquées (B0,B0→B-) ou (B+, B-).
Pendant longtemps, une observation directe de cette violation en utilisant des particules instables était considérée comme impossible. En utilisant le phénomène d’intrication quantique, la collaboration BABAR a prouvé le contraire.
[1] Site internet de l’expérience BABAR : http://www-public.slac.stanford.edu/babar/
[2] La liste complète et détaillée est disponible sur le site internet du magazine «Physics World » : http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/dec/14/physics-world-reveals-its-top-10-breakthroughs-for-2012
[3] « Observation of Time-Reversal Violation in the B0 Meson System », J.P.Lees et al. (BABAR collaboration), Phys. Rev. Lett. 109, 211801 (2012).
[4] Voir par exemple le fait marquant de l’IRFU « Le triangle des B » : http://irfu-i.cea.fr/Spp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=221
Contact :
• Constituants élémentaires et symétries fondamentales › Physique des particules auprès des collisionneurs
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département de Physique des Particules (DPhP)
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