Stringent limits on - and Lorentz-invariance violation from ~meson decays
En utilisant des données de collisions proton-proton à 13 TeV provenant du détecteur LHCb, cette étude établit les contraintes les plus précises à ce jour sur la violation de la symétrie CPT et de l'invariance de Lorentz dans le système des mésons , en mesurant le paramètre violant la symétrie CPT et en fixant des limites sur les paramètres de violation de Lorentz à l'ordre de au sein du cadre de l'extension du Modèle Standard.
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Au cœur de la physique moderne se trouve un ensemble de règles si fondamentales qu'elles définissent le comportement de l'univers. Deux de ces règles sont la symétrie CPT et l'invariance de Lorentz. La symétrie CPT est l'idée que si vous inversiez le temps, échangiez chaque particule avec son opposée (l'antimatière) et retourniez l'univers comme une image miroir, les lois de la physique resteraient exactement les mêmes. L'invariance de Lorentz est le principe selon lequel ces lois ne changent pas en fonction de votre vitesse ou de la direction dans laquelle vous faites face. Pendant des décennies, ces principes ont résisté à tous les tests, formant le socle de notre compréhension de la réalité. Cependant, certaines théories sur les couches les plus profondes de l'univers, telles que celles tentant d'expliquer la gravité, suggèrent que ces règles pourraient s'effondrer à des niveaux d'énergie incroyablement élevés. Si c'était le cas, les effets seraient minuscules, cachés profondément dans le comportement des particules subatomiques, attendant d'être découverts par des instruments d'une précision extrême.
Une équipe de scientifiques travaillant avec le détecteur LHCb au CERN a jeté un nouveau regard, hautement sensible, sur cette question en utilisant des particules appelées mésons . Ce sont des particules à vie courte contenant un quark bottom qui sont créées lorsque des protons s'entrechoquent à une vitesse proche de celle de la lumière. Les chercheurs se sont concentrés sur la façon dont ces particules se désintègrent, ou se décomposent, en d'autres particules au fil du temps. Plus précisément, ils ont guetté un motif d'interférence subtil qui apparaîtrait si les règles de la symétrie CPT ou de l'invariance de Lorentz étaient légèrement transgressées. Dans un monde où ces symétries sont parfaitement respectées, la désintégration d'une particule et de sa jumelle d'antimatière devrait suivre un rythme parfaitement prévisible. Si les symétries étaient violées, ce rythme vacillerait d'une manière spécifique, changeant selon l'heure de la journée à mesure que la Terre tourne et que l'orientation des particules change par rapport aux étoiles.
Pour trouver ces vacillements, l'équipe a analysé une collection massive de données recueillies entre 2015 et 2018. Ils ont passé au crible des milliards de collisions pour isoler près de 380 000 cas où un méson s'est désintégré en un ensemble spécifique de particules filles : un méson et un pion. Ce chemin de désintégration spécifique est particulièrement utile car il est très propre et prévisible, ce qui facilite la détection de tout écart infime par rapport au comportement attendu. Les scientifiques ont ensuite construit un modèle mathématique détaillé de la manière dont ces particules devraient se comporter si l'univers suit les règles standards, et ils ont comparé ce modèle aux données réelles. Ils ont cherché des signes indiquant que le taux de désintégration changeait à mesure que la Terre tournait, ce qui indiquerait que les lois de la physique étaient différentes selon la direction dans laquelle les particules se déplaçaient dans l'espace.
Le résultat de cette recherche exhaustive fut une confirmation que l'univers, du moins aux échelles d'énergie testées, respecte ces règles fondamentales. Les chercheurs n'ont trouvé aucune preuve des vacillements qui signaleraient une violation de la symétrie CPT ou de l'invariance de Lorentz, bien qu'une comparaison des hypothèses oscillatoires et constantes ait produit une signification de 1,8 écart-type, ce qui est compatible avec une fluctuation statistique. Ils ont mesuré les paramètres qui décriraient une telle violation et les ont trouvés cohérents avec zéro, dans une marge d'erreur très étroite. En fait, leurs mesures sont les plus précises jamais réalisées pour ce type de particule, poussant la sensibilité à un niveau où elles peuvent exclure toute violation à une échelle d'environ une partie sur dix à la puissance quatorze. Cela signifie que si ces symétries sont brisées, l'effet est si incroyablement petit qu'il est actuellement invisible même pour les détecteurs les plus puissants de la Terre.
Ce travail ne fait pas que confirmer ce que nous soupçonnons déjà ; il resserre les contraintes sur toute nouvelle théorie proposant que l'univers est plus chaotique à ses niveaux les plus profonds. En prouvant que le méson se comporte exactement comme prévu, indépendamment de l'heure de la journée ou de la direction de son voyage, l'étude renforce l'idée que les lois de la physique sont effectivement universelles et immuables. Les chercheurs ont effectivement fermé la porte à un large éventail de possibilités concernant la manière dont ces symétries pourraient se briser, laissant aux physiciens un chemin plus clair, bien que plus difficile, pour poursuivre leur quête de la nature fondamentale de la réalité. L'univers, semble-t-il, reste obstinément cohérent.
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