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L’image de Quark mise à l’épreuve


    Thomas Elias Cocolios

    • Institut de physique nucléaire et des radiations, Département de physique et d’astronomie, KU Leuven, Louvain, Belgique

&balle; La physique 16, 199

Une mesure du rayon de charge d’un noyau d’aluminium confirme l’hypothèse selon laquelle il n’existe que trois familles de quarks.

APS/Ryan Wilkinson

Figure 1: Le modèle standard de la physique des particules considère trois familles de quarks : up (toi) et en bas (d); charme (c) et étrange (s); et en haut (t) et en bas (b). Cependant, notre compréhension actuelle n’exclut pas complètement l’existence possible d’une quatrième famille.

Dans le modèle standard de la physique des particules, la matière est constituée de particules élémentaires appelées quarks et leptons. Les quarks sont les constituants lourds qui forment, par exemple, les protons et les neutrons, tandis que les leptons sont les constituants légers, comme l’électron. Les six quarks connus (up, down, charm, étrange, top et bottom) sont répartis en trois familles. Mais pourrait-il y avoir une quatrième famille ? Répondre à cette question nécessiterait des centaines de mesures différentes en physique des particules et en physique nucléaire. Cependant, toutes ces mesures ne sont pas encore disponibles ou suffisamment précises, et de nombreuses valeurs de paramètres ne sont que déduites ou extrapolées. Aujourd’hui, Peter Plattner du CERN en Suisse et ses collègues montrent comment une seule de ces mesures peut modifier notre compréhension de cette question fondamentale (1).

Dans le cadre de la mécanique quantique du modèle standard, les quarks peuvent osciller entre leurs différentes saveurs. L’exemple le plus connu est celui de la désintégration bêta des noyaux radioactifs : un proton se transforme en neutron (ou vice versa) lorsqu’un de ses quarks oscille de haut en bas (ou de bas en haut). La vitesse de désintégration bêta dépend de nombreux facteurs impliquant à la fois la physique nucléaire et atomique, mais la vitesse à laquelle les quarks oscillent est décrite par une seule grandeur : Voudl’élément dit matriciel de la transformation d’un quark up en un quark down.

Lorsque les éléments de la matrice de toutes les combinaisons possibles de quarks sont réunis, on obtient une matrice 3 × 3 appelée matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) (2, 3). Si le modèle standard est complet, alors la matrice CKM doit être unitaire, c’est-à-dire que la somme des carrés des éléments de la matrice le long d’une ligne ou d’une colonne doit être égale à 1, ce qui représente une description complète de toutes les oscillations possibles des quarks. Cependant, si ce test d’unité est inférieur à 1, une autre famille de quarks est alors nécessaire pour combler le vide (Fig. 1). La recherche d’une physique au-delà du modèle standard explore de près tous les éléments de la matrice pour rechercher tout écart possible par rapport à l’unitarité de la matrice CKM. Mais comment mesurer précisément ces quantités ?

De tous les quarks, le quark up est le plus accessible expérimentalement et fournit le test le plus rigoureux de l’unité de la matrice CKM. Et parmi les trois éléments de la matrice impliquant ce quark, le plus grand et le plus précisément connu est Voud. Cependant, dans le test d’unité, le carré de cet élément de la matrice est nécessaire et l’incertitude sur Voud reste la principale contribution à l’incertitude finale de la somme. Voud ne peut pas être déterminé directement mais doit être extrait de mesures des taux de désintégration bêta, une fois ceux-ci corrigés des facteurs nucléaires et atomiques, tels que la distribution de spin et de charge nucléaire. Parmi les plus de 3 000 noyaux radioactifs différents jamais observés en laboratoire, il en existe une poignée dans lesquels la désintégration bêta est plus simple que dans les autres et dans lesquels les corrections sont minimes. L’état excité à longue durée de vie (isomère) de l’aluminium 26mAl en fait partie et, grâce à des efforts récents, il possède l’un des taux de désintégration bêta mesurés les plus précisément, ce qui contraint Voud (4).

Plattner et ses collègues ont exploré comment le rayon de charge nucléaire de 26mAl affecte directement la détermination de Voud et donc le test de l’unitarité de la matrice CKM. Bien que le rayon de charge de l’état fondamental 26Al avait déjà été rapportée (5), celle de l’isomère était plus insaisissable et la valeur utilisée pour évaluer Voud avait été extrapolée. Le défi venait de la demi-vie (6,35 secondes pour l’isomère contre 717 000 ans pour l’état fondamental) et de la faible production de l’isomère. Pour surmonter ces problèmes, Plattner et ses collègues ont étudié 26mAl utilisant deux expériences différentes : COLLAPS à l’installation de faisceaux d’ions radioactifs ISOLDE au CERN (6) et IGISOL CLS au Laboratoire des accélérateurs de l’Université de Jyväskylä, Finlande (7). Ces installations utilisent différentes réactions nucléaires pour générer et extraire 26Un terrain 26mAl, ce qui entraîne des ratios différents pour les rendements de production des deux États nucléaires. Pour distinguer ces états, l’équipe a utilisé la différence de demi-vie chez COLLAPS et les multiples transitions atomiques de l’aluminium chez IGISOL CLS.

Ensemble, les deux campagnes ont permis à Plattner et ses collègues d’extraire une valeur pour le 26mRayon de charge Al de 3.130 ±0,015 fm – nettement plus élevé que le chiffre précédemment rapporté de 3,040 ±0,020 fm (5). Les chercheurs ont ensuite étudié comment cette nouvelle valeur affecte l’unité de la matrice CKM. Ils ont trouvé un déplacement plus proche de l’unité pour la rangée supérieure de la matrice CKM : à partir de 0,99848. ±0,00070 à 0,99856 ±0,00070.

A première vue, cette valeur diffère de 1 d’au moins 2 écarts types. Cependant, après avoir constaté l’impact d’une seule réévaluation d’un intrant sur des centaines, on peut se demander si certaines incertitudes systématiques sous-jacentes n’ont pas été sous-estimées – comme ce fut le cas avec 26mAl. Pour cette raison, les physiciens nucléaires expérimentaux devraient explorer davantage les différentes observables impliquées dans la détermination de Voud. Dans le cas d 26mAl, la précision du rayon de charge évalué pourrait être améliorée avec une mesure directe du rayon de charge de l’état fondamental 26Al en utilisant la spectroscopie dite des rayons X muoniques (8). De plus, des recherches plus approfondies sont nécessaires pour déterminer avec précision la répartition des charges d’un large éventail d’isotopes (9). Les découvertes de Plattner et de ses collègues nous rapprochent de la détermination de l’existence d’une quatrième famille de quarks, mais de nombreux autres résultats expérimentaux sont nécessaires avant d’avoir une réponse concluante.

Les références

  1. P. Plattner et coll.« Rayon de charge nucléaire de 26mAl et son implication pour Voud dans la matrice de mélange des quarks,  » Phys. Le révérend Lett. 131222502 (2023).
  2. N. Cabibbo, «Symétrie unitaire et désintégrations leptoniques», Phys. Le révérend Lett. dix531 (1963).
  3. M. Kobayashi et T. Maskawa, «CP-violation dans la théorie renormalisable de l’interaction faible », Programme. Théorique. Phys. 49652 (1973).
  4. JC Hardy et IS Towner, « Superallowed 0+0+ nucléaire 𝛽 désintégrations : enquête critique de 2020, avec des implications pour Voud et l’unité du CKM », Phys. Rév. C 102045501 (2020).
  5. IS Towner et JC Hardy, « Corrections calculées du Fermi superautorisé 𝛽 désintégration : nouvelle évaluation des termes dépendants de la structure nucléaire,  » Phys. Rév. C 66035501 (2002).
  6. R. Neugart et coll.« Spectroscopie laser colinéaire à ISOLDE : nouvelles méthodes et faits marquants », J. Phys. G : Nucl. Partie. Phys. 44064002 (2017).
  7. LJ Vormahah et coll.« Déplacements isotopiques de la spectroscopie laser colinéaire des isotopes de l’yttrium doublement chargés », Phys. Rév. A 97042504 (2018).
  8. A. Adamczak et coll.« Spectroscopie d’atomes muoniques avec un matériau cible microgramme », EUR. Phys. J.A. 5915 (2023).
  9. C.-Y. Seng, « Détermination indépendante du modèle des facteurs de forme faible nucléaire et implications pour les tests de précision du modèle standard », Phys. Le révérend Lett. 130152501 (2023).

A propos de l’auteur

Image de Thomas Elias Cocolios

Thomas Elias Cocolios est professeur associé à l’Institut de physique nucléaire et des radiations de la KU Leuven, au sein du Département de physique et d’astronomie de Belgique, où il a obtenu son doctorat en 2010. Dans ses recherches, il explore la forme des noyaux atomiques à l’aide de lasers avancés. techniques de spectroscopie et spectroscopie des rayons X muoniques d’échantillons stables et radioactifs. Il effectue ses recherches principalement à l’installation de faisceaux d’ions radioactifs ISOLDE au CERN, en Suisse, et en utilisant des faisceaux de muons de l’Institut Paul Scherrer, en Suisse. Il transpose également ses découvertes dans la production de nouveaux radionucléides médicaux au sein de l’installation MEDICIS du CERN et dans le développement de l’installation ISOL@MYRRHA au Centre belge de recherche nucléaire (SCK CEN).


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