Polarisation confirmée

Prédite par le Modèle standard, la polarisation des photons émis dans la réaction de désintégration d’un quark bottom (b) en quark étrange (s) vient d’être observée, pour la première fois, par la collaboration LHCb. Des recherches plus poussées seront toutefois nécessaires pour déterminer avec précision la valeur de cette polarisation.

Un événement LHCb où l'on observe la production de K, π et γ issus de la désintégration B⁺ → K⁺π^-π⁺γ. Cette désintégration a été exploitée par la collaboration LHCb pour étudier la polarisation du photon (γ).
 

Si nous imaginons les photons comme de petites toupies qui tournent sur elles-mêmes autour d’un axe aligné sur leur direction de propagation, nous pouvons considérer deux types de photons : les « droitiers », représentant ceux qui tournent dans le sens d’un tire-bouchon, et les « gauchers », pour ceux qui tournent en sens inverse. Si, pour un grand nombre d’événements d’une désintégration donnée, on observe un déséquilibre entre la production de photons droitiers et la production de photons gauchers, on dit qu’il y a polarisation.

Au CERN, la collaboration LHCb s’est justement intéressée à ce phénomène de polarisation. Elle s’est plus particulièrement penchée sur la polarisation du photon (γ) émis dans la réaction de désintégration d’un quark bottom (b) en quark étrange (s) : b → sγ. D’après les prédictions du Modèle standard de la physique des particules, les photons émis dans cette désintégration devraient presque toujours être gauchers. Or cette polarisation n’avait jusqu’alors jamais été démontrée expérimentalement. « Grâce aux données recueillies par LHCb en 2011 et 2012, nous avons pu étudier environ 14 000 désintégrations b → sγ, explique Olivier Schneider, physicien à l’EPFL et membre de la collaboration LHCb. En comptant le nombre de photons émis dans différentes directions, nous avons réussi à mettre en évidence une polarisation (voir l’encadré). Il faudra toutefois de plus amples recherches pour déterminer s’il s’agit d’une polarisation avec excès de photons gauchers, comme le prédit le Modèle standard, ou excès de droitiers, et dans quelles proportions. »

Au cas où la polarisation se révèlerait être différente de celle prédite par le Modèle standard, à savoir presque 100% de photons gauchers, la physique des particules pourrait connaître un revirement : « Si nos recherches mettent finalement en évidence une polarisation droitière, ou ne serait-ce qu’une polarisation gauchère différente de celle prédite par le Modèle standard, cela ouvrirait la porte à de la nouvelle physique, s’enthousiasme Olivier Schneider. En effet, diverses théories au-delà du Modèle standard prédisent d’autres valeurs de polarisation pour la transition b → sγ. Si ces prédictions-là étaient confirmées, un nouveau pan de la physique des particules s’offrirait à nous. » Ce qui ravirait plus d’un physicien.
 

Pour aller plus loin Graphique 1 : le plan bleu clair est celui défini par les impulsions des K+, π- et π+. En comparant le nombre de photons détectés au-dessus (up) et au-dessous (down) de ce plan, les physiciens peuvent calculer l’asymétrie Aud, qui est proportionnelle à la polarisation. Pour être plus précis, la collaboration LHCb a exploité la désintégration B+ → K+π-π+γ dans laquelle a lieu la transition b → sγ. Le déséquilibre entre les photons droitiers et les photons gauchers se manifeste au travers d’une « asymétrie up-down (Aud) », qui a été mesurée en comparant le nombre de photons détectés au-dessus (up) et au-dessous (down) du plan défini par les impulsions des K+, π- et π+ dans le référentiel défini par ces trois particules (voir graphique 1). L’asymétrie Aud a par ailleurs été calculée pour quatre intervalles de masse du système Kππ : de 1100 à 1300 MeV/c2 ; de 1300 à 1400 MeV/c2 ; de 1400 à 1600 MeV/c2 et de 1600 à 1900 MeV/c2. Ces quatre mesures de Aud sont globalement incompatibles avec la valeur zéro, avec une signification statistique de 5,2 sigmas (voir graphique 2), ce qui signifie que les photons sont bel et bien polarisés. Graphique 2 : valeurs de l’asymétrie Aud pour quatre intervalles de masse du système Kππ. Notez que l’asymétrie Aud ne donne pas directement la valeur de la polarisation λ, mais est proportionnelle à celle-ci suivant la relation : Aud = k * λ, où k est une constante a priori différente pour chaque intervalle de masse du système Kππ. Des études plus poussées pourraient permettre de déterminer avec précision la valeur de k pour chaque masse du système Kππ. Cela permettrait alors de calculer la polarisation.

Pour en savoir plus, lisez l’article publié par la collaboration LHCb dans arXiv et dans la revue Physical Review Letter.

par Anaïs Schaeffer