C’est Noël et il n’y a pas que les clochettes qui résonnent

La dernière des particules élémentaires à avoir été découverte est le boson de Higgs dont l’observation dans les collisions de protons du LHC a été annoncée par les collaborations Atlas et CMS le 4 juillet 2012. L’univers tout entier, tel que décrit par le modèle standard de la physique des particules, se contente de 25 de ces objets fondamentaux (plus les antiparticules associées) : douze particules de matière, les fermions, dont six  leptons (électron e^{-}, muon \mu^{-}, tauon \tau^{-}, neutrino électronique \nu_{e}, neutrino muonique \nu_{\mu} et neutrino tauique \nu_{\tau}) et six quarks (up u, down d, étrange s, charmé c, beau b et top t) ; et douze bosons, vecteurs des interactions (le photon \gamma pour l’interaction électromagnétique, les bosons Z, W^{+} et W^{-} pour l’interaction faible et huit gluons g pour l’interaction forte). Le boson de Higgs complète le tableau.

Mais le zoo des particules compte plusieurs centaines d’entités qui ne sont pas élémentaires. Ce sont des états liés d’un quark et d’un antiquark qu’on appelle les mésons, ou de trois quarks qu’on appelle les baryons. Tous sont des hadrons – la physique des particules a décidemment un faible prononcé pour les noms en « on ». Les plus connus des baryons sont le proton (formé de deux quarks u et d’un quark d) et le neutron (formé de deux quarks d et d’un quark u), parce qu’ils constituent les noyaux des atomes qui nous entourent.

Deux baryons ont été récemment observés pour la première fois par la collaboration LHCb (un des quatre grands détecteurs installés aux points de collisions du LHC). Ils répondent aux doux noms de \Xi^{\prime -}_{b} et \Xi^{\star -}_{b}.  Prononcer « ksi-prime-bé-moins » et « ksi-star-bé-moins ». Tous les deux sont des états liés d’un quark b, un quark d et un quark s. Tous deux sont, comme l’immense majorité des baryons et des mésons, instables avec des temps de vie moyens de l’ordre de quelques 10^{-22}s. Faisons un calcul rapide en supposant que ces baryons ont la vitesse la plus grande possible, i.e. c, la vitesse de la lumière, qu’on approchera par 3\, 10^{8}m/s. A cette vitesse, ils parcourent en moyenne 3\,10^{-14}m avant de se désintégrer ! Moins que le diamètre d’un proton ! Ces objets que nous ne détectons que via leurs produits de désintégration et caractérisés par des temps de vie extrêmement courts sont des états résonnants.

Le terme est emprunté à la mécanique qui qualifie ainsi un système répondant avec une grande amplitude à une fréquence donnée. Lorsque deux particules se rencontrent, elles ont une certaine probabilité d’interagir, caractérisée par une grandeur que l’on appelle la section efficace. Si on la regarde en fonction de l’énergie disponible on voit qu’il y a des pics, donc des valeurs de l’énergie préférées pour lesquelles l’interaction est plus probable. Ce sont les énergies qui correspondent à la masse d’états intermédiaires qu’on appelle des résonances.

Les deux états liés nouvellement observés ont des masses très proches : de 5,935 GeV/c² pour le \Xi^{\prime -}_{b} et de 5,955 GeV/c² pour le \Xi^{\star -}_{b}; à titre de comparaison, la masse d’un proton vaut 0,938 GeV/c². Et ils ne sont pas faciles à détecter parce que leur désintégration occasionne une cascade de particules : sitôt créés ils se désintègrent en \Xi^{0}_{b} + \pi^{-}. Le \Xi^{0}_{b} vole sur plusieurs millimètres avec de se désintégrer en \Xi^{+}_{c} + \pi^{-}. Le \Xi^{+}_{c} vole à son tour avant de se désintégrer en p + K^{-} + \pi^{+}. Au final trois pions (deux \pi^{-} et un \pi^{+}), un proton (p) et un kaon (K^{-}) sont mesurés et identifiés par le détecteur LHCb. Ici il est plus aisé de visualiser les pics correspondant au \Xi^{\prime -}_{b} et au \Xi^{\star -}_{b} en regardant la section efficace non pas en fonction de l’énergie, mais en fonction de la différence \delta m entre la masse de l’état \Xi^{0}_{b}\pi^{-} et la somme des masses du \Xi^{0}_{b} et du \pi^{-}. C’est ce qui est présenté sur la figure.

LHCb

 

Et voilà ! Dans un prochain billet nous verrons pourquoi \Xi^{\prime -}_{b} et \Xi^{\star -}_{b} se désintègrent sitôt créées et sont donc des résonances alors que leur cousine \Xi^{-}_{b}, composée des mêmes quarks b, d et s, a une durée de vie moyenne dix fois plus grande.

Lien vers la publication : Observation of two new  baryon resonances, par LHCb Collaboration, http://arxiv.org/abs/1411.4849

 


11 commentaires pour “C’est Noël et il n’y a pas que les clochettes qui résonnent”

  1. Noel Philippe Répondre | Permalink

    Bonjour,

    J'ai écouté l'émission hier soir sur France culture ... et je trouve que vous avez une manière simple, précise et passionnée .. de parler de choses ..... complexes ...

    je ne suis qu'un passionné très très amateur ... de physique ... plus branché par les concepts que par les calculs ...

    Dans ce registre la physique quantique est la plus surprenante .... et la plus créatrice .... avec des potentialités .... presque infinies ...

    pour mieux m'aider à comprendre ..... pouvez vous m'éclairer sur ce point

    Le temps semble être une dimension ?
    Comment définit-on une dimension ?

    est-ce que certaines théoriques envisagent le temps comme un champ de force ?

    excuses moi de vous poser des questions triviales ...

    Merci de votre aide ....

    Philippe NOEL

  2. Nathalie Besson Répondre | Permalink

    Bonjour,
    vos questions sont très loin d'être triviales, elles sont mêmes fondamentales.
    Pour répondre simplement sur les dimensions, il s'agit de repérer un événement dans l'espace temps. Pour cela il faut choisir une origine, arbitraire, des axes donc un repère. Ceci étant posé, on repère n'importe quel point de l'espace par trois coordonnées qui sont un certain nombre de fois l'unité choisie reportée sur chacun des trois axes. En mécanique Newtonienne le temps est absolu et donc le même pour tout le monde, il est donc inutile de le préciser. En relativité restreinte en revanche, le temps dépend de l'observateur, plus précisément de son mouvement. Le temps associé à un événement, un phénomène, est différent pour deux observateurs de l'événement en mouvement relatif l'un par rapport à l'autre. Pour repérer un événement il faut alors préciser origine spatio-temporelle, axes et coordonnées d'espace mais aussi de temps. On a besoin de quatre coordonnées, on parle de quatre dimensions.
    La question qui se pose mathématiquement en mécanique quantique sur le statut du temps c'est s'il peut être considéré comme un opérateur qui agit sur un état, comme on le fait avec la position, ou simplement comme un paramètre. Les deux façons de dériver les théories existent. Le temps reste de toutes façons à part parce qu'il s'écoule.
    J'espère que ces réponses vous aident.
    Cordialement,
    Nathalie Besson

  3. Noel Philippe Répondre | Permalink

    Bonsoir,

    déjà Merci d'avoir pris de temps pour cette réponse .. très clair ....
    et Oui vos réponses m'aident ... 😉

    mais excusez moi mais engendrent d'autres questions (n'ayez pas peur ....je ne vous solliciterai pas outre mesure ... 😉

    si le temps est bien une des dimensions ... coordonnées ? pour situer un "corps" dans Notre espace .... et si il dépend du mouvement de l'observateur (j'adore cet aspect qui lie l'observateur et le monde quantique .... l'univers nous(se) révèle 'crée) une certaine vérité (la notre)... celle que l'on perçoit ... soit avec nos sens ... soit avec nos "outils" ... comme les mathématiques ... ) comment expliquer ce lien .. ce rapport (complexe ;...) car a "priori" les dimensions sont donc "liées" entre elles ... puisque qu'elles interagissent - s'adaptent - en fonction de paramètres comme la vitesse - mouvement ..

    j'ai bien peur de ne plus être très clair ....

    le "temps" pourrait-il être un champ de "force" ... comme la gravité en est une....
    ou bien plutôt un lien entre les particules élémentaires

    un peu comme l'idée de l'intrication quantique ...
    mais qui se "déforme" avec le mouvement
    ou plutôt oscille "moins" vite ...

    Bonne Soirée
    Très cordialement
    Philippe

  4. JLM Répondre | Permalink

    oela fait longtemps que je connais les particules élémentaires :
    https://www.youtube.com/watch?v=tywHA5Qys-Y
    la vie ne serait-elle qu'une vibration?
    revenons aux résonances :
    régimes transitoires , établis,amortis ?
    Fréquences ?
    Et pour en revenir au temps :la vitesse de la lumière étant différente dans le vide et l'eau,par exemple ,le temps est-il différent dans le vide et dans l'eau ?

  5. Noel Philippe Répondre | Permalink

    "merci" JLM ....

    suite à votre dernière remarque ... le fait que la vitesse de la lumiere soit différente dans le vide et dans l'eau n'est pas forcément liée au temps ...

    je cherche de l'aide ... pas de la raillerie

    Quelqu'un a écrit quelque chose comme cela

    " l'enfant considère le possible que comme un cas particulier du réel, l'adulte considère que le réel n'est qu'un cas particulier du possible"

    et pas besoin de YOUTUBE ....

    A bon entendeur .....

  6. JLM Répondre | Permalink

    A classer dans la série :
    je suis Charlie ,mais je me soigne.

  7. JLM Répondre | Permalink

    Connaissez-vous Roger Coudert et ses travaux sur la masse du photon ?
    http://perso.numericable.fr/~rcoudert/
    La force active de Dieu (c'est Noël et bientôt Pâques !) :
    http://saintebible.com/genesis/1-2.htm
    Supposons que le photon ai une masse ,ce qui a l'air de déplaire à beaucoup,soit dit en passant,et personne n'envisage de refaire l'expérience de la balance ...
    Que se passe-t-il donc sur l'interface air-eau (mais on peut choisir son gaz et son liquide (question de pureté,mais le dipôle de l'eau est très intéressant ) dans un récipient fermé voire pressurisé ,lorsque la lumière change de vitesse,de couleur ou de fréquence et de direction ou lorsque la lumière est monochromatique ?
    Sinon,expliquer en quoi Roger Coudert a fait une erreur .
    merci

  8. JLM Répondre | Permalink

    Suite:
    Peut-on lever l'ambiguïté de l'hyperdynamomètre de R.Coudert en construisant une balance différentielle ?:
    -d'un côté un laser vert,de l'autre un laser rouge.Lasers synchronisés ou non
    et une balance similaire au galvanomètre balistique à miroir

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