BaBar (expérience)

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BaBar (d'après la notation du « méson B » et de son antiparticule, le « B barre ») est une expérience de physique des particules réalisée dans le cadre d'une collaboration internationale auprès de l'anneau de stockage e+e- PEP-II, au Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) en Californie. Elle est dédiée à l'étude de la physique des mésons B et de la violation de la symétrie CP dans leurs désintégrations faibles.

BaBar a cessé de prendre des données en avril 2008 et compte plus de 400 publications, fin 2009, dans Physical Review D et Physical Review Letters.

Programme scientifique[modifier | modifier le code]

Les particules élémentaires présentent des symétries dont l'étude permet de comprendre la nature de leurs interactions. En particulier les symétries discrètes C (conjugaison de charge), P (parité) et T (inversion du temps) ne sont pas conservées dans les interactions faibles des quarks. Le théorème CPT cependant établit que leur produit est conservé par toutes les interactions. En particulier la masse et la durée de vie moyenne d'une particule sont identiques à celles de son anti-particule. Nous savons depuis 1964 que la symétrie CP est violée, très faiblement, dans les désintégrations des kaons neutres.

Le modèle standard explique cette violation de la symétrie CP par la présence d'un terme complexe dans la matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) qui paramétrise les désintégrations électrofaibles des quarks. Ce terme complexe ne peut exister que lorsque le nombre de familles de quarks est au moins égal à 3, ce qui est le cas.

L'expérience BaBar a été construite pour étudier la violation de CP dans les désintégration faibles des mésons neutre B0, formé d'un quark d et d'un anti-quark b, et chargé B+, formé d'un quark u d'un anti-quark b.

Schéma du triangle d'unitarité de la matrice CKM

Un développement au premier ordre dû à Lincoln Wolfenstein (en) décrit le terme complexe de la matrice CKM en fonction d'un nombre complexe (ρ + i η), dont la représentation dans le plan complexe détermine le triangle d'unitarité de la matrice CKM.

Une première partie, importante, du programme scientifique est la métrologie de grande précision et fortement surcontrainte (le petit nombre de paramètres du modèle doit rendre compte d'un grand nombre de mesures expérimentales) de la matrice CKM. Les mesures des angles des triangles, reliées à la phase de (ρ + i η), ne sont possibles que si au-moins deux amplitudes contribuant au même état final interfèrent. Les mesures de longueur des côtés du triangle utilisent des simples mesures de taux d'embranchement. Pour ces mesures, on s'efforce de choisir une désintégration pour laquelle un seul diagramme de Feynman contribue au premier ordre, et pour laquelle la connaissance des paramètres hadroniques, qui permettent de relier les caractéristiques des désintégrations des mésons – que l'on observe – à celle des quarks qui les constituent – décrits par la matrice CKM – est suffisamment bonne.

La seconde partie du programme est la recherche de violation du modèle standard, due à une "nouvelle" physique éventuelle, comme la supersymétrie. Pour cela, on étudie des modes dont le diagramme de Feynman dominant contient une boucle : la contribution d'une particule inconnue à ce jour induirait alors un effet mesurable. La recherche de modes pour lesquels le modèle standard prédit un taux d'embranchement extrêmement faible est d'un intérêt particulier.

Description du détecteur[modifier | modifier le code]

Le détecteur BaBar utilise les faisceaux de l'anneau de stockage PEP-II : un faisceau d'électrons de 9 GeV et un faisceau de positrons de 3,1 GeV entrent en collision au centre du détecteur. L'énergie des faisceaux est ajustée de façon à ce que l'énergie dans le référentiel du centre de masse corresponde à la masse du méson υ(4S), le 3e état excité de l'υ, le premier qui soit suffisamment lourd pour se désintégrer en une paire B - Bbar. L'asymétrie en énergie permet de mesurer la différence de durée de vie des deux B, par la différence de leur parcours avant désintégration.

Le détecteur lui-même est de forme cylindrique et composé de plusieurs couches[1] :

  • Un détecteur de vertex en silicium (SVT) constitué de 5 couches de silicium à lecture double-face effectue une trajectographie de précision des traces chargées au plus près du vertex (en) de l'évènement,
  • Une chambre à dérive (DCH), chambre à fils comprenant 40 couches de cellules, complète la trajectographie, fournissant en particulier une mesure de l'impulsion de la trace,
  • Un détecteur de rayonnement Tcherenkov, transmis par réflexion totale interne (DIRC), consistant de 144 fines barres de quartz dans un arrangement cylindrique. La lumière Tcherenkov est émise dans le matériau à un angle qui dépend de la vitesse de la particule chargée, et donc, à impulsion donnée, de sa masse, fournissant ainsi une possibilité d'identification de la nature de la particule. Les photons se propagent le long de la barre par réflexion, l'angle étant précieusement conservé. En sortie de barre, et après un parcours d'environ un mètre dans une cuve d'eau ultra-pure, le photon est détecté par un photomultiplicateur. Des positions de la barre et du photomultiplicateur, on obtient une mesure de l'angle Tcherenkov et donc de la masse de la particule.
  • Un retour de champ instrumenté (IFR). Une épaisse couche de fer canalise le retour du flux magnétique à l'extérieur de l'aimant. Ce matériau est « instrumenté » de plans de détecteurs de particules, permettant d'observer les gerbes créées par les hadrons. Les muons seuls traversent les IFR, laissant une trace sans gerbe, et sont ainsi identifiés.

Données enregistrées[modifier | modifier le code]

L'expérience BaBar a accumulé des données pendant presque une décennie, pour la plus grande part à une énergie correspondant à la masse de l'υ(4S), c'est-à-dire à 10.58 GeV. Une petite fraction des données a été acquise à une énergie légèrement inférieure, de 40 MeV, pour étudier le bruit de fond des interactions e+e-. Enfin, en 2008, quelques mois de fonctionnement ont été dédiés à l'étude de l'υ(2S) et υ(3S), respectivement les premier et second états excités du méson υ.

Après un démarrage rapide, La luminosité instantanée de l'accélérateur a atteint et dépassé 1034cm−2s−1.

Dates Luminosité intégrée totale (fb−1) Nombre de upsilon
upsilon(4S) 1999 - 2007 426 468 millions
upsilon(3S) 2008 28 122 millions
upsilon(2S) 2008 14 99 millions

Résultats[modifier | modifier le code]

Mesure de β[modifier | modifier le code]

Grâce à la forte violation de CP dans le secteur des mésons B et à la luminosité élevée fournie par l'accélérateur PEP-II, l'expérience BaBar a rapidement observé une différence signifiante entre les désintégrations de B0 et \scriptstyle\bar{B}\,^0 , se désintégrant en un méson J/ψ et un kaon neutre short KS0. Cette différence permit de mesurer la valeur de sin(2β), où β est l'un des angles du triangle d'unitarité, une valeur positive et non compatible avec zéro – η est alors non nul, CP est violée, et le triangle n'est pas plat.

Cette désintégration étant très peu contaminée par les incertitudes hadroniques contrairement aux désintégrations de kaons qui ont permis la première observation de la violation de CP – il s'est agit de la première observation de la violation de CP par le mécanisme de CKM (lire).

Mesure de α[modifier | modifier le code]

BaBar mesure l'angle α dans une série de désintégrations non charmées (π+π-, ϱ+π-, ϱ+ϱ-). Dans le canal B → ϱϱ, particulièrement, la pollution par les diagrammes ayant une boucle est faible, et l'incertitude de la mesure de α en est diminuée. Phys.Rev.Lett.98:111801,2007.

Mesure de γ[modifier | modifier le code]

L'angle γ est mesuré dans les désintégrations de mésons B+ en un méson charmé D(*) neutre et un méson étrange K(*) chargé, en particulier grâce au recouvrement – et donc à l'interférence – dans le plan de Dalitz (en) des désintégrations en trois corps des D0 et D̄0 vers le même état final arXiv:0804.2089.

L'Accélérateur PEP-II n'est pas seulement une usine à méson B, de très haute luminosité. Il produit aussi des centaines de millions de mésons charmés, de lepton τ ..

Découverte du Y(4260)[modifier | modifier le code]

Étudiant le système J/ψ π+π- produit dans l'interaction e+e- après rayonnement d'un photon dans l'état initial, nous avons découvert une nouvelle particule à une masse proche de 4,260 GeV/c2. Cette résonance jusqu'alors inconnue a des propriétés différentes d'un méson charmonium ordinaire, état lié d'un quark c et d'un anti-quark c, et est peut-être un nouvel état de la matière, le premier état observé d'un méson hybride, état lié d'un quark c et d'un anti-quark c et d'un gluon (lire).

Découverte du ηb[modifier | modifier le code]

Analysant les désintégrations du méson υ(3S) dans des données dédiées acquises au début de 2008, BaBar à découvert le ηb, état fondamental du méson bottomonium qui était recherché depuis la découverte de l'υ en 1977. Le ηb ayant, pense-t'on, de très nombreux canaux de désintégration, la recherche a été effectuée de façon inclusive, seul le photon de recul de la désintégration radiative υ(3S) → ηb γ étant observé. (lire).

Le modèle standard et la violation de CP après BaBar[modifier | modifier le code]

Les résultats de l'expérience BaBar et de l'expérience Belle située au KEK (en) sont compilés par le Particle Data Group et par le Heavy Flavor Averaging Group, et des ajustements du modèle de CKM aux résultats expérimentaux sont effectués par deux groupes, CKMfitter et UTfit.

L'ensemble des résultats montre une grande cohérence, l'ajustement du petit nombre de paramètres du modèle CKM permettant de rendre compte de l'ensemble des résultats expérimentaux. Il est démontré que le modèle CKM est la source de l'ensemble des manifestations de la violation de CP observée dans le secteur des quarks, à la précision expérimentale dont nous disposons aujourd'hui.

D'autre part aucun signe signifiant de physique au-delà du modèle standard n'a été observé. En fait cette absence questionne avec virulence la présence d'une telle physique à l'échelle du TeV, cible des expérience au LHC qui vont redémarrer sous peu. Si nouvelle physique il y a, il faudra comprendre son absence totale d'activité visible dans le secteur de la saveur.

L'étude expérimentale de la violation de CP est reliée au problème de la baryogénèse : Andreï Sakharov a démontré en 1967 que l'on ne pouvait obtenir un univers actuel fortement dissymétrique, la matière étant bien plus répandue que l'anti-matière, à partir d'un univers prétendument symétrique, qu'à une série de conditions, en particulier que CP soit violée. En fait la violation de CP dans le secteur des quarks, étudiée par BaBar, n'est pas suffisante pour expliquer la baryogénèse : il s'en faut de 10 ordres de grandeur[2]. Le problème de la baryogénèse reste entier.

Le futur proche de cette physique des saveurs est entre les mains d'expériences comme LHCb qui commencera à prendre des données bientôt auprès d'un accélérateur de protons, le LHC. La violation de CP dans les désintégrations du méson à la fois beau et étrange, le Bs, sera alors accessible – le Bs est trop lourd pour être produit dans les désintégrations de l'υ(4S).

À plus long terme deux projets de super usine à méson B sont en compétition, Super Belle au Japon et SuperB en Italie, qui devraient pouvoir accumuler cent fois plus de données que BaBar ou Belle.

Instituts membres de BaBar[modifier | modifier le code]

BaBar est une collaboration principalement Nord-Américaine et Européenne, comptant 74 instituts et environ 500 chercheurs.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Publications[modifier | modifier le code]

  • Résultats de physique : liste

Liens externes[modifier | modifier le code]