Les théoriciens publient des prévisions améliorées pour la minuscule différence dans les désintégrations de kaon observées par les expériences – Science

Une collaboration internationale de physiciens théoriciens – y compris des scientifiques du Brookhaven National Laboratory (BNL) du Département américain de l’énergie (DOE) et du RIKEN-BNL Research Center (RBRC) – a publié un nouveau calcul pertinent pour la recherche d’une explication de la prédominance de la matière sur l’antimatière dans notre univers. La collaboration, connue sous le nom de RBC-UKQCD, comprend également des scientifiques du CERN (le laboratoire européen de physique des particules), de l’Université de Columbia, de l’Université du Connecticut, de l’Université d’Édimbourg, du Massachusetts Institute of Technology, de l’Université de Regensburg et de l’Université de Southampton. Ils décrivent leur résultat dans un article qui sera publié dans la revue Physical Review D et a été mis en évidence comme une «suggestion de l’éditeur».

Les scientifiques ont d’abord observé une légère différence dans le comportement de la matière et de l’antimatière – connue sous le nom de violation de la «symétrie CP» – tout en étudiant les désintégrations de particules subatomiques appelées kaons dans une expérience lauréate du prix Nobel au Brookhaven Lab en 1963. Alors que le Standard Le modèle de physique des particules a été reconstitué peu de temps après, pour comprendre si la violation de CP observée dans les désintégrations de kaon en accord avec le modèle standard s’est avérée insaisissable en raison de la complexité des calculs requis.

Le nouveau calcul donne une prédiction plus précise de la probabilité avec laquelle les kaons se désintègrent en une paire de pions chargés électriquement par rapport à une paire de pions neutres. Comprendre ces désintégrations et comparer la prédiction avec des mesures expérimentales de pointe plus récentes effectuées au CERN et au Laboratoire national des accélérateurs Fermi du DOE permet aux scientifiques de tester de minuscules différences entre la matière et l’antimatière, et de rechercher des effets qui ne peuvent pas être expliqués par le modèle standard.

Le nouveau calcul représente une amélioration significative par rapport au résultat précédent du groupe, publié dans Physical Review Letters en 2015. Basé sur le modèle standard, il donne une plage de valeurs pour ce que l’on appelle la «violation directe de la symétrie CP» dans les désintégrations de kaon qui est cohérente avec les résultats mesurés expérimentalement. Cela signifie que la violation de CP observée est maintenant, à notre connaissance, expliquée par le modèle standard, mais l’incertitude dans la prédiction doit être encore améliorée car il est également possible de révéler toute source d’asymétrie matière / antimatière située au-delà la description actuelle de notre monde par la théorie.

«Un calcul théorique encore plus précis du modèle standard peut encore se situer en dehors de la plage mesurée expérimentalement. Il est donc très important que nous poursuivions nos progrès et affinions nos calculs, afin de pouvoir fournir un test encore plus solide de notre compréhension », a déclaré Amarjit Soni, théoricien du Brookhaven Lab.

Déséquilibre matière / antimatière

“Le besoin d’une différence entre la matière et l’antimatière est intégré dans la théorie moderne du cosmos”, a déclaré Norman Christ de l’Université de Columbia. «Notre compréhension actuelle est que l’univers actuel a été créé avec des quantités presque égales de matière et d’antimatière. À l’exception des minuscules effets étudiés ici, la matière et l’antimatière devraient être identiques en tous points, au-delà des choix conventionnels tels que l’attribution d’une charge négative à une particule et une charge positive à son anti-particule. Une certaine différence dans la façon dont ces deux types de particules fonctionnent doit avoir fait pencher la balance pour favoriser la matière par rapport à l’antimatière », a-t-il déclaré.

“Toutes les différences de matière et d’antimatière qui ont été observées à ce jour sont bien trop faibles pour expliquer la prédominance de la matière trouvée dans notre univers actuel”, a-t-il poursuivi. “La découverte d’un écart significatif entre une observation expérimentale et des prédictions basées sur le modèle standard pourrait potentiellement ouvrir la voie à de nouveaux mécanismes d’interactions entre les particules qui dépassent notre compréhension actuelle – et que nous espérons trouver pour aider à expliquer ce déséquilibre.”

Modélisation des interactions des quarks

Toutes les expériences qui montrent une différence entre la matière et l’antimatière impliquent des particules faites de quarks, les blocs de construction subatomiques qui se lient par la force forte pour former des protons, des neutrons et des noyaux atomiques – ainsi que des particules moins connues comme les kaons et les pions.

«Chaque kaon et pion est composé d’un quark et d’un antiquark, entourés d’un nuage de paires quark-antiquark virtuels, et reliés entre eux par des porteurs de force appelés gluons», a expliqué Christopher Kelly, du Brookhaven National Laboratory.

Les calculs basés sur le modèle standard du comportement de ces particules doivent donc inclure toutes les interactions possibles des quarks et des gluons, comme décrit par la théorie moderne des interactions fortes, connue sous le nom de chromodynamique quantique (QCD).

De plus, ces particules liées se déplacent à une vitesse proche de la lumière. Cela signifie que les calculs doivent également inclure les principes de relativité et de théorie quantique, qui régissent ces interactions de particules à vitesse proche de la lumière.

“En raison du grand nombre de variables impliquées, ce sont quelques-uns des calculs les plus compliqués de toute la physique”, a noté Tianle Wang, de l’Université de Columbia.

Défi informatique

Pour relever le défi, les théoriciens ont utilisé une approche informatique appelée QCD en treillis, qui «place» les particules sur un réseau spatio-temporel à quatre dimensions (trois dimensions spatiales plus le temps). Ce treillis en forme de boîte leur permet de tracer tous les chemins quantiques possibles pour que le kaon initial se désintègre en deux pions finaux. Le résultat devient plus précis à mesure que le nombre de points de réseau augmente. Wang a noté que «l’intégrale de Feynman» pour le calcul rapporté ici impliquait l’intégration de 67 millions de variables!

Ces calculs complexes ont été effectués à l’aide de supercalculateurs de pointe. La première partie du travail, générant des échantillons ou des instantanés des champs de quarks et de gluons les plus probables, a été réalisée sur des supercalculateurs situés aux États-Unis, au Japon et au Royaume-Uni. La deuxième étape et la plus complexe d’extraction des amplitudes de désintégration kaon réelles a été réalisée au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), une installation utilisateur du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE.

Mais utiliser les ordinateurs les plus rapides ne suffit pas; ces calculs ne sont encore possibles même sur ces ordinateurs qu’en utilisant des codes informatiques hautement optimisés, développés pour le calcul par les auteurs.

“La précision de nos résultats ne peut pas être augmentée de manière significative en effectuant simplement plus de calculs”, a déclaré Kelly. << Au lieu de cela, afin de resserrer notre test du modèle standard, nous devons maintenant surmonter un certain nombre de défis théoriques plus fondamentaux. Notre collaboration a déjà fait des progrès significatifs dans la résolution de ces problèmes et s'est associée à des améliorations des techniques de calcul et à la puissance du futur proche. Supercalculateurs du DOE, nous prévoyons d’obtenir des résultats nettement améliorés au cours des trois à cinq prochaines années. »

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