Détection d'une particule étrange

À la fin des années 1940, les physiciens George Rochester et Clifford Butler observé. Ils étudiaient les interactions entre les rayons cosmiques de haute énergie et une plaque de plomb dans le détecteur lorsqu'ils repéraient des traces de particules en forme de V (Fig. 1a). Le petit espace entre la plaque de plomb et le sommet des pistes indiquait qu'une particule neutre invisible avait été produite dans la plaque, avait parcouru une courte distance et s'était ensuite décomposée en deux particules chargées visibles. La masse de la particule neutre était environ 1 000 fois supérieure à celle d'un électron, ce qui implique qu'il doit s'agir d'un type de particule non signalé auparavant. Cette découverte a ouvert la voie à de nombreuses énigmes et surprises en physique des particules au cours des décennies qui ont suivi.

À l’époque des travaux de Rochester et Butler, des protons, des neutrons, des électrons et des particules appelées pions (abréviation de π mésons) avaient été identifiés et étaient connus pour suffire à former des atomes. Des pions ont été proposés en 1935 pour expliquer comment les protons et les neutrons sont maintenus ensemble dans de petits noyaux atomiques par la force nucléaire puissante et ont été découverts expérimentalement^, en 1947.

En cherchant un pion dans les rayons cosmiques, les scientifiques ont découvert une particule différente, qui s’appelle maintenant un muon. Une particule chargée lourde a ensuite été trouvée en 1944, suivi de la particule neutre instable de Rochester et de Butler. Mais la découverte de particules inattendues ne s'est pas arrêtée là. Puis vint le méson τ, qui se décompose en trois pions; le méson θ, se décomposant en deux pions; le méson κ, se décomposant en un muon et une particule invisible; le⁰ particule, se décomposant en un proton et un pion; Et la liste continue.

Au début des années 50, les chercheurs ont commencé à produire ces particules rares en grande quantité en projetant des protons sur des cibles dans des accélérateurs de particules. Les mésons τ, θ et κ et⁰ Les particules étaient particulières, car, bien qu’elles aient été générées par la force puissante, leurs temps de désintégration étaient beaucoup plus longs que ceux attendus pour cette force. Pour expliquer ces observations, les physiciens ont proposé une quantité, appelée étrangeté (S), qui est conservé par la force forte^,.

Les protons et les neutrons ont S= 0, et grâce à la force forte, peut produire une paire de particules étranges qui ont S= –1 et S= +1, de sorte que l'étrangeté totale est conservée. Cependant, une particule étrange qui a S= -1, par exemple, ne peut pas se désintégrer en particules qui ont S= 0 par la force forte, car l'étrangeté ne serait pas conservée. Au lieu de cela, cette dégradation doit se produire beaucoup plus lentement par le biais de la force nucléaire faible, ce qui permet le changement de l'étrangeté totale.

Au fur et à mesure que la précision des mesures basées sur les accélérateurs augmentait, il devint clair que les mésons τ et θ avaient des masses et des durées de vie extrêmement similaires. Les scientifiques ont conclu que ces mésons devaient être la même particule, capable de se décomposer en deux ou trois pions. Le désordre de mésons étranges a finalement été nettoyé en quatre particules appelées kaons (abréviation de K mésons): K⁺ et K⁰ et leurs antiparticules K^– et K^—0.

Cependant, accepter que les mésons τ et θ étaient la même particule posait un autre problème. Un état de deux pions a une parité paire, ce qui signifie que sa fonction d'onde ne change pas de signe sous une transformation de parité (dans laquelle les coordonnées spatiales sont inversées). En revanche, un état de trois pions a une parité impaire. Si la même particule pouvait se décomposer en deux ou trois pions, cela signifiait-il que, contrairement à toutes les idées reçues, la parité n'est pas conservée par la force faible? Cette question, connue sous le nom de puzzle τ – θ, a conduit à la découverte, en 1957, d'une telle rupture de symétrie de parité dans les désintégrations du cobalt 60 et en désintégration pion.

Une conséquence de la rupture de la symétrie de parité par la force faible est que les particules élémentaires appelées neutrinos ne peuvent être que gauches, ce qui signifie que leur mouvement et leur moment angulaire intrinsèque sont dans des directions opposées. Sous une transformation paritaire, un neutrino gaucher devient un neutrino droitier, ce qui n'existe pas. Cependant, si on applique ensuite une transformation de conjugaison de charge (dans laquelle les particules sont remplacées par leurs antiparticules), le neutrino droitier devient un antineutrino droitier, qui existe. La force faible semblait donc conserver la symétrie CP (symétrie sous une transformation combinée charge-conjugaison et transformation de parité), jusqu'à ce que cette symétrie soit brisée dans les désintégrations de kaons neutres.

Un kaon neutre est un mélange de K⁰ et K^—0 états, et peut exister en tant que CP-même état K_mêmeou l'état CP-impair K_impair . La vie de K_impairest beaucoup plus long que celui de K_même , donc ces particules ont été nommées K_L (pour «K-long») et K_S (pour «K-short»), respectivement. Une conséquence utile de ces durées de vie est que, si des kaons neutres sont produits en lançant des protons sur une cible, le PC-même K_S le composant se désintègre rapidement, ne laissant que le K impair_L composant. En 1964, tel K_L des particules ont été observées se désintégrer dans l’état homogène de deux pions de charge opposée (π⁺π^–). Par conséquent, malgré les attentes, il a été démontré que la symétrie du PC était brisée.

Dans la même année, les physiciens ont proposé un modèle^, expliquer tous les mésons et baryons connus – une famille qui comprend les protons, les neutrons et le⁰ particule. Dans le modèle, ces mésons et baryons sont constitués de particules élémentaires appelées quarks, qui se présentent sous trois types: haut, bas et étrange (Fig. 1b).

En 1973, un modèle théorique a montré que la rupture de la symétrie du CP pouvait être expliquée en introduisant trois autres quarks: le charme, le haut et le bas. Dans ce cadre, K_L peut avoir une petite composante de K_même qui peut se décomposer dans le CP-même π⁺π^– Etat. Mais contrairement à d’autres modèles théoriques, ce cadre permet également à K_impairse dégrader dans l’état de niveau pair (violation directe du CP).

Plusieurs générations d’expériences ont ensuite été menées pour déterminer s’il existait une violation directe du CP. La mesure nécessitait une précision extrêmement élevée et, après de nombreuses améliorations en 25 ans, la violation directe du CP a finalement été confirmée^,. Avec l'observation de la rupture de la symétrie CP dans les mésons B (mésons contenant un quark de fond)^,, le modèle théorique a été confirmé et a contribué à l’établissement du modèle standard de la physique des particules, explication actuelle des particules et des forces de l’Univers.

Cependant, le modèle standard n'est pas complet. Par exemple, il ne peut pas expliquer pourquoi l’Univers contient si peu d’antimatière, ni quelle est la substance mystérieuse appelée matière noire. Les chercheurs tentent donc de rechercher un indice de la physique des particules au-delà de celui du modèle standard. Par exemple, des expériences au Japon et l'Europe utilisent des désintégrations extrêmement rares de kaons pour rechercher un tel indice.

Rétrospectivement, on pense que les traces de particules en forme de V de Rochester et de Butler ont été causées par un K_S, produite dans la plaque de plomb, se décomposant en π⁺π^– Etat. Depuis leurs travaux, les kaons ont été utilisés pour découvrir l'étrangeté et la rupture des symétries de parité et de CP, pour construire le modèle de quark et le modèle standard, et maintenant pour rechercher une physique des particules jamais vue auparavant. Rochester et Butler auraient-ils pu imaginer avoir ouvert un tel coffre au trésor?