Des photons testent les limites du Modèle standard

Les particules élémentaires, comme les photons, ont une propriété appelée «spin». Imaginons qu’une particule soit une toupie: son spin représente alors son moment cinétique orbital, qui est une mesure de son mouvement de rotation. Pour les photons, cette rotation s’effectue soit dans le sens des aiguilles d'une montre soit dans le sens opposé. On dit des photons ils sont soit droitiers soit gauchers, et si la proportion de photons gauchers diffère de celle des photons droitiers, alors on parle de polarisation. Dans le cadre de l'expérience LHCb au CERN, les chercheurs de l'EPFL ont observé une "polarisation non nulle": cela veut dire que le photon est préférentiellement gaucher ou droitier. Cette découverte pourrait ouvrir la voie à de nouvelles recherches en physique fondamentale, qui vont au-delà de la réalité décrite par le Modèle standard. Le travail est publié dans Physical Review Letters.

La théorie du Modèle standard est une théorie capable, jusqu’à présent, de décrire avec succès tous les phénomènes connus et toutes les interactions entre les particules élémentaires – y compris le boson de Higgs découvert au LHC en 2012. Selon le Modèle standard, les composantes élémentaires de la matière sont soit des leptons (comme les électrons ou les neutrinos), soit des quarks. Les types de quarks, appelés saveurs sont au nombre de six, soit up, down, strange, charm, bottom et top.

Les quarks peuvent passer d’une saveur à une autre, par exemple lors de la désintégration bêta d’ atomes instables. Un autre exemple est la transformation d’un quark bottom en quark strange par l’émission d’un photon très énergétique. Dans ce cas, le Modèle standard prédit que le photon sera presque toujours gaucher. Toutefois, le phénomène n’avait jamais été observé directement.

Le groupe d’Olivier Schneider à l’EPFL a analysé des données enregistrées en 2011 et 2012 avec le détecteur LHCb au LHC. L’équipe a pu ainsi déterminer que lorsqu’un quark bottom se désintégre en un quark strange par l'émission d'un photon, ce dernier est polarisé. La probabilité que ce résultat soit le fruit d'une fluctuation statistique est de moins d'une chance sur trois millions. C'est que que la communauté de physique des particules appelle une observation.

«Notre observation ouvre la voie vers une mesure de la polarisation du photon, qui constituera un test du Modèle standard ou, ou, de façon équivalente, permettra de rechercher des effets totalement nouveaux en physique, explique Olivier Schneider. En effet, si de nouvelles particules ou de nouvelles forces existent et interfèrent avec le processus du Modèle standard, le photon pourrait ne pas être presque toujours gaucher. »

Cette analyse de données a été effectuée au Laboratoire de physique des hautes énergies (EPFL-LPHE), par Giovanni Veneziano et Albert Puig et approuvée par leurs collaborateurs du LHCb. La collaboration du LHCb (au sein duquel est membre actif le groupe de l’EPFL avec Aurelio Bay, Tatsuya Nakada et Olivier Schneider) a conçu, construit, calibré et fait fonctionner le détecteur LHCb, ainsi que développé le logiciel nécessaire au traitement des données.

Source

R. Aaij et al. (LHCb Collaboration) 2014. Observation of Photon Polarization in the b→sγ Transition. Phys. Rev. Lett. 112, 161801. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.161801