LHCb: une expérience pour apprivoiser l’antimatière

LHCb étudie en particulier les particules qui contiennent des quarks b ou leur antiparticule, l’anti-b. Ces particules ont la propriété de voyager quelques millimetres avant se désintégrer. LHCb est spécialisé dans la mesure de ces particules qui portent des informations cruciales sur la difference entre matière et antimatière.

LHCb est une des expériences du LHC avec comme but principal l’étude des différences entre particules et antiparticules. La collaboration LHCb est constituée d’environ 1150 scientifiques provenant de 69 universités ou laboratoires, répartis dans 15 pays. LHCb pèse 4’500 tonnes, il est long 20 m. La phase de recherche et développement a duré 10 ans, la construction 5 ans. Le coût du dispositif est d’environ 100 MCHF.LH

(iγ µ∂µ − m)Ψ = 0

Paul A. M. Dirac En 1927 P.A.M. Dirac cherche à marier la théorie de la relativité et la théorie quantique. L’équation qui porte son nom permet de décrire le mouvement de l’électron mais implique l’existence de son antiparticule: le positon. Le positon a la même masse que l’électron, mais une charge électrique opposée. Les particules élémentaires ont toutes leur antiparticule. L’atome d’ anti-hydrogène a été assemblé au CERN en rapprochant un anti-proton et un positon. Une des questions encore sans réponse en cosmologie est pourquoi l’Univers est fait seulement de matière, et on n’observe pas d’anti-étoiles, faites d’anti-hydrogène…

−

Un autre système, le Tracker, permet de tracer le parcours des particules chargées dont la trajectoire est courbée dans un fort champ magnétique. Les signaux de passage des particules issus des éléments sensibles du Tracker sont amplifiés par des microcircuits, puis transmis à des circuits plus complexes, et enfin ils arrivent dans le système d’ordinateurs et sont stockés pour l’analyse.

En particulier le détecteur VErtex LOcator (VELO) est capable de mesurer la distance de désintégration avec une précision de 10 micromètres.

Assemblage des éléments du VELO

)Ca

ndid

ates

/ ( 1

0 M

eV/c

1000

2000

3000

4000 LHCb (a) (b)

B →KπB →KπB →ππ

B →KKB→3-bodyComb. bkg

0

0

0

0s

s

05 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 invariant mass [GeV/c ]2+π−K

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 invariant mass [GeV/c ]2+π

−Kt (ps)

5 10 15

Signal

yield

asymmetry

�0.4�0.3�0.2�0.1

0

0.10.20.30.4

LHCb

Les surfaces des pics en rouge en (a) et (b) correspondent à l’observation de désintégrations (particules K et π) qui indiquent la présence de la particule ou de l’antiparticule. La différence d’hauteur des pics montre que les deux espèces ont un comportement different. A droite on montre un phénomène étonnant: l’oscillation de particules - anti-particule: les deux espèces se transforment l’une dans l’autre périodiquement (la période est de 12 ps environ).

Tracker

VELO

quark anti-b quark b

quark anti-b

quark b

quark anti-b