Observation of double production in collision at
L'expérience BESIII rapporte l'observation d'une production significative de doubles dans les collisions à , mesurant un rapport d'environ 40,4 % qui s'aligne sur les taux de production de doubles et remet en question les prédictions théoriques existantes concernant l'hadronisation des quarks.
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Pour comprendre comment l'univers visible est construit, les physiciens doivent observer les ingrédients les plus fondamentaux : les quarks. Ce sont des particules minuscules et insaisissables qui n'existent jamais seules dans la nature. Au lieu de cela, elles sont liées par une force puissante appelée l'interaction forte, qui agit comme une colle invisible, les forçant à s'agglutiner en particules composites appelées hadrons. Ce processus de liaison, appelé hadronisation, est l'un des aspects les plus complexes et les plus difficiles à calculer de la théorie qui régit ces forces, connue sous le nom de chromodynamique quantique. Bien que les scientifiques comprennent depuis longtemps comment des paires uniques de quarks et de leurs contreparties d'antimatière, les antiquarks, se transforment en particules, un mystère plus profond demeure : que se passe-t-il lorsque deux de ces paires sont créées simultanément ? Se transforment-elles simplement en particules de manière indépendante, ou s'influencent-elles mutuellement de manières inattendues ? Répondre à cette question est crucial car cela teste les limites de notre compréhension actuelle de la façon dont la matière se forme à partir de l'énergie pure.
Une équipe de chercheurs utilisant le détecteur BESIII à l'Institut de physique des hautes énergies de Pékin a maintenant franchi une étape significative vers la résolution de ce casse-tête. Ils ont concentré leur attention sur un type spécifique de quark appelé le quark strange. En faisant entrer en collision des électrons et leurs partenaires d'antimatière, les positrons, à un niveau d'énergie précis de 3,08 milliards d'électron-volts, ils ont créé les conditions où des paires de quarks strange et d'antiquarks strange pouvaient être produites. Les chercheurs cherchaient un événement rare où deux de ces paires sont créées simultanément. Dans ces événements, une paire formerait une particule appelée méson phi, qui est essentiellement un état lié d'un quark strange et d'un antiquark strange. La seconde paire se transformerait ensuite en un ensemble différent de particules, telles que d'autres mésons ou des paires de kaons, qui sont des particules contenant également des quarks strange.
L'équipe a analysé une vaste collection de données de collision, examinant des millions d'événements pour trouver ces signatures de double production spécifiques. Ils ont soigneusement reconstruit les trajectoires des particules émergeant des collisions, identifiant le méson phi par sa désintégration en deux particules chargées et recherchant les particules strange accompagnatrices dans les débris restants. Après avoir filtré le bruit de fond et pris en compte les processus physiques connus, ils ont trouvé des preuves claires que cet événement de double production se produit fréquemment. Ils ont mesuré que lorsqu'un méson phi est produit, il y a une probabilité de 40,4 % qu'il soit accompagné d'un autre ensemble de particules contenant une seconde paire de quarks strange. Ce résultat n'est pas une supposition théorique ou une simulation informatique ; c'est une mesure directe dérivée de données expérimentales réelles.
Cette découverte est significative car elle reflète un mystère similaire et de longue date observé avec les quarks charm, qui sont beaucoup plus lourds que les quarks strange. Des expériences précédentes avec les quarks charm ont montré qu'ils produisent également des doubles paires bien plus souvent que ce que prédisent les théories standards. La nouvelle mesure des quarks strange montre que cette production « excédentaire » n'est pas unique aux particules lourdes, mais est une caractéristique générale du comportement des quarks lors de l'hadronisation. Le fait que le taux observé soit si élevé suggère que nos modèles mathématiques actuels de la force forte ignorent une pièce clé du puzzle. Les données indiquent que lorsque les quarks sont créés par paires, ils ne se dispersent pas simplement de manière aléatoire pour former des particules ; au contraire, il semble y avoir une corrélation cachée ou un mécanisme dynamique qui encourage la production de paires supplémentaires ensemble.
Les chercheurs n'ont pas trouvé une nouvelle particule ou une nouvelle force de la nature. Au lieu de cela, ils ont fourni un nombre précis qui défie les théories existantes. En confirmant que la double production de quarks strange se produit à un taux d'environ 40 %, ils ont ajouté un point de donnée critique que toute théorie future de la force forte devra expliquer. Ce travail ne résout pas le mystère de l'hadronisation, mais il établit fermement que le phénomène est réel et substantiel. Il force les physiciens à reconsidérer la manière dont les quarks interagissent dans le régime non perturbatif, où les forces sont si fortes que les calculs simples échouent. Le résultat sert de guide clair pour les théoriciens, indiquant que les règles régissant la formation de la matière à partir de l'énergie sont plus complexes et plus interconnectées qu'on ne le croyait auparavant.
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