Measurement of $e^{+} e^{-}\to p\bar{p}$ around $\psi(2S)$ with scan method

Au cœur de la matière, là où les protons et les neutrons sont constitués de particules encore plus petites appelées quarks, il existe un ensemble de règles régissant la manière dont ces minuscules morceaux s'attachent et s'éparpillent. Ces règles sont décrites par une théorie appelée chromodynamique quantique, qui agit comme le manuel d'instructions de la force forte, la colle la plus puissante de l'univers. Bien que cette théorie fonctionne parfaitement pour certaines situations, elle devient incroyablement difficile à résoudre lorsque les particules se déplacent lentement ou interagissent de manière complexe. Les physiciens sont depuis longtemps fascinés par une famille spécifique de particules appelée charmonium, qui sont composées d'un quark charm épais et de son jumeau d'antimatière. Ces particules sont assez lourdes pour être étudiées avec une grande précision, tout en étant assez légères pour que les règles complexes et désordonnées de la force forte dominent encore leur comportement. En observant comment ces particules sont créées et comment elles se désintègrent en d'autres particules, les scientifiques espèrent découvrir la mécanique cachée de la force forte et voir comment elle rivalise avec la force électromagnétique, la même force qui fait que les aimants collent et que la foudre frappe.

Une étude récente de la collaboration BESIII a porté un nouveau regard sur l'une de ces particules de charmonium, connue sous le nom de psi-2S. Cette particule est une version légèrement plus lourde de la célèbre particule J/psi ; elle est instable, ce qui signifie qu'elle se brise rapidement en d'autres particules. Les chercheurs étaient particulièrement intéressés par ce qui se passe lorsque le psi-2S se désintègre en un proton et un antiproton. Dans le monde de la physique des particules, cette désintégration peut se produire de deux manières différentes simultanément : soit par la force forte, qui implique l'échange de gluons, soit par la force électromagnétique, qui implique un photon virtuel. Comme les deux processus peuvent se produire simultanément, ils interfèrent entre eux, tout comme deux rides à la surface d'un étang se rencontrant pour créer un nouveau motif. La clé pour comprendre cette interaction réside dans la mesure du déphasage, ou de la phase, entre ces deux forces. Si le timing est décalé, les forces pourraient s'annuler mutuellement ; s'ils sont alignés, ils pourraient amplifier le résultat. Déterminer ce timing est crucial car cela aide les physiciens à comprendre si les forces forte et électromagnétique se comportent de manière prévisible et universelle ou s'il existe des surprises cachées dans les détails.

Pour résoudre ce puzzle, l'équipe ne s'est pas appuyée sur un instantané unique de données. Au lieu de cela, elle a effectué un balayage minutieux, collectant des données à neuf niveaux d'énergie légèrement différents autour de la masse de la particule psi-2S. Cette méthode leur a permis de cartographier la forme exacte de la résonance, qui est le pic dans les données marquant la présence de la particule. En analysant comment le nombre de paires proton-antiproton changeait au fur et à mesure qu'ils traversaient ces niveaux d'énergie, les chercheurs pouvaient séparer les contributions de la force forte, de la force électromagnétique et d'un processus de fond qui se produit même sans la résonance. Ils ont utilisé le détecteur BESIII, un instrument massif situé au Collisionneur Électron-Positron de Pékin, pour enregistrer les collisions. Le détecteur agit comme un appareil photo géant à haute vitesse qui suit les trajectoires des particules chargées et mesure leur énergie, permettant à l'équipe d'identifier les événements spécifiques où un proton et un antiproton ont été créés.

Après avoir recueilli un total de 495 picobarns inverses de données, l'équipe a appliqué des critères stricts pour s'assurer qu'elle observait les bons événements. Elle a filtré les rayons cosmiques et les autres bruits de fond, se concentrant uniquement sur les paires de particules qui correspondaient au comportement attendu d'un proton et d'un antiproton. L'analyse a révélé un signal clair, avec le nombre d'événements détectés augmentant et diminuant selon un motif qui correspondait aux prédictions théoriques pour la résonance psi-2S. Les chercheurs ont ensuite utilisé un modèle mathématique sophistiqué pour ajuster la forme de ces données, extrayant les valeurs des paramètres physiques sous-jacents. Ils ont découvert que la phase relative entre les amplitudes forte et électromagnétique n'est pas de zéro ou de cent quatre-vingts degrés, comme pourraient le suggérer certaines théories simples, mais qu'elle se situe à une valeur d'environ cent six degrés ou moins de cent cinq degrés. Ces deux solutions représentent deux manières différentes dont les mathématiques peuvent fonctionner, mais toutes deux pointent vers la même réalité physique : les deux forces sont presque perpendiculaires l'une à l'autre dans leur synchronisation.

Avec cette mesure de phase en main, l'équipe a calculé la probabilité, ou fraction de branchement, que le psi-2S se désintègre en un proton et un antiproton. Ils ont trouvé que cette probabilité est d'environ trois virgule vingt et une fois dix à la puissance moins quatre, ou trois virgule quarante-sept fois dix à la puissance moins quatre, selon la solution mathématique choisie parmi les deux. Ces résultats sont légèrement plus élevés que les mesures précédentes mais restent cohérents dans la marge d'erreur. L'étude a également fourni une nouvelle mesure précise du facteur de forme effectif, une quantité qui décrit la structure interne du proton telle qu'elle est perçue par les particules en collision. Les résultats ont montré une courbe lisse qui s'aligne bien avec les découvertes antérieures d'autres expériences, comblant ainsi un vide dans les données autour de la région d'énergie du psi-2S.

La portée de ces découvertes réside dans leur capacité à tester les limites de notre compréhension actuelle. Le fait que la phase ne soit pas nulle suggère que l'idée simple selon laquelle les forces forte et électromagnétique seraient parfaitement en phase ou parfaitement en opposition est incorrecte. Au lieu de cela, les données soutiennent une image plus complexe où ces forces interagissent d'une manière qui est universelle à travers différents types de désintégrations de particules. Bien que la raison exacte de cet angle spécifique reste un mystère que les physiciens théoriciens doivent expliquer, la mesure expérimentale fournit une ancre solide pour les théories futures. En confirmant que l'interférence entre ces forces suit un schéma prévisible, l'étude aide à affiner les modèles qui décrivent comment la matière est construite à partir de ses fondements. Ce travail témoigne de la puissance de la mesure de précision, montant comment un balayage minutieux du paysage énergétique peut révéler les rythmes subtils et cachés du monde subatomique.