jeudi 20 février 2020

Le petit mystère du kaon neutre


Une observation étrange dans une expérience de physique des particules japonaise étudiant la désintégration des kaons neutres semble montrer l'existence d'une nouvelle particule ou d'une nouvelle interaction. Même si ces résultats doivent encore être confirmés, une certaine excitation se fait sentir parmi les physiciens. Les interprétations possibles de ces premiers résultats sont publiés dans Physical Review Letters.



Le kaon, qu'on écrit K est une particule de la famille des mésons, il est composé d'un quark et un antiquark, dont un (anti)quark s (strange). Le kaon existe  sous 4 formes : deux kaons chargés : K+ et K- (composés de quarks ou antiquarks up et strange) et deux kaons neutres K0 (composés de quarks ou antiquarks down et strange). Ces deux kaons K0 se divisent en deux variantes : K0L et K0S (ou KL et KS, "long" et "short") qui diffèrent par leur état de superposition quantique de quarks et antiquark et surtout par leur durée de vie avant de se désintégrer. Le kaon neutre court a une durée de vie de 8,953 ×10−11 s, tandis que celle du kaon neutre long est de 5,116 ×10−8 s). 
Cette différence de durée de vie entre les deux kaons neutres est l'un des signes que les quarks strange ont vraiment quelque chose d'étrange, d'autant plus qu'une violation de symétrie de parité a été observée dans ces kaons et pourrait fournir une clé de compréhension sur l'asymétrie matière-antimatière qui existe dans l'Univers. 
Les physiciens japonais de l'expérience KOTO s’intéressent donc de près aux kaons neutres et notamment au kaon KL. Ils ont monté leur expérience dans le but de mesurer la désintégration du KL en pion 𝜋0 accompagné d'une paire de neutrino-antineutrino. Ils cherchent ainsi à tester les prédictions du modèle standard de la physique des particules qui indique combien ils devraient voir de telles désintégrations dans leur détecteur. 
Ils utilisent l'accélérateur J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) situé à Tokai pour produire les kaons puis détectent les pions neutres issus des désintégrations. Le neutrino et l'antineutrino s'échappent du détecteur sans laisser de trace. 
Dans la configuration de leur expérience et durant le temps qu'elle a duré, les chercheurs auraient dû voir en moyenne 0,1 ± 0,02 désintégration de KL en π0 νν.
Mais ils détectent 4 désintégrations de KL!

Teppei Kitahara et ses collègues observent donc ce qui ressemble à un gros excès de désintégrations de KL, qu'ils essayent aujourd'hui d'expliquer, et les seules solutions possibles qu'ils trouvent vont, bien sûr, au-delà du modèle standard. La première hypothèse qui est proposée est que le kaon neutre long pourrait se désintégrer en un pion + une ou deux autres particules invisibles comme les neutrinos, mais cette désintégration serait plus fréquente que la désintégration standard. Le problème de cette hypothèse est que d'autres expériences qui étudient la désintégration de kaons chargés, comme NA62 au CERN, elles, ne voient pas d'anomalies. Et le kaon neutre doit se désintégrer moins fréquemment que le kaon chargé d'après le modèle standard. Mais le détecteur de KOTO étant beaucoup plus petit que celui de NA62, cela pourrait jouer un rôle en laissant s'échapper plus facilement des particules furtives instables. Ces dernières, dans un gros détecteur, pourraient en effet s'y désintégrer et laisser une trace, masquant de fait la trace recherchée d'un seul pion (une trace unique).
Une autre hypothèse proposée par les physiciens japonais pour expliquer l'excès observé serait l'existence d'une nouvelle interaction entre particules qui ferait se désintégrer le KL plus souvent. La dernière hypothèse que font les chercheurs est qu'ils auraient pu être les témoins de la désintégration de tout autre chose que des kaons neutres longs, une nouvelle particule encore inconnue... 
On l'a compris, faute de nouvelles données, les spéculations font rage depuis septembre dernier lorsque les résultats préliminaires de KOTO ont été rendus publics au cours d'une conférence scientifique en Italie. Mais heureusement, dans les mois qui viennent, l'expérience KOTO prévoit de refaire une campagne spéciale, qui devrait permettre de déterminer si les événements qui ont été observés l'année dernière sont bien réels ou bien s'il s'agit juste de bruit de fond. Dans le cas où le signal se confirme, Teppei Kitahara et son équipe ont d'ores et déjà prévu de nouvelles expériences pour tester laquelle de leurs trois hypothèses serait la bonne.


Source

New Physics Implications of Recent Search for KL→π0νν at KOTO
Teppei Kitahara, Takemichi Okui, Gilad Perez, Yotam Soreq, and Kohsaku Tobioka
Phys. Rev. Lett. 124 (19 February 2020)


Illustration

Schéma de la désintégration du kaon neutre long impliquant une particule inconnue au lieu d'une paire neutrino/antineutrino (K. Tobioka/Florida State University)