BaBar (expérience)

Grâce à la forte violation de CP dans le secteur des mésons B et à la luminosité élevée fournie par l'accélérateur PEP-II, l'expérience BaBar a rapidement observé une différence signifiante entre les désintégrations de B⁰ et ${\displaystyle \scriptstyle {\bar {B}}\,^{0}}$, se désintégrant en un méson J/ψ et un kaon neutre short K_S⁰. Cette différence permit de mesurer la valeur de sin(2β), où β est l'un des angles du triangle d'unitarité, une valeur positive et non compatible avec zéro – η est alors non nul, CP est violée, et le triangle n'est pas plat.

Cette désintégration étant très peu contaminée par les incertitudes hadroniques contrairement aux désintégrations de kaons qui ont permis la première observation de la violation de CP – il s'est agi de la première observation de la violation de CP par le mécanisme de CKM (lire).

BaBar mesure l'angle α dans une série de désintégrations non charmées (π⁺π⁻, ϱ⁺π⁻, ϱ⁺ϱ⁻). Dans le canal B → ϱϱ, particulièrement, la pollution par les diagrammes ayant une boucle est faible, et l'incertitude de la mesure de α en est diminuée. Phys.Rev.Lett.98:111801,2007.

L'angle γ est mesuré dans les désintégrations de mésons B⁺ en un méson charmé D(*) neutre et un méson étrange K(*) chargé, en particulier grâce au recouvrement – et donc à l'interférence – dans le plan de Dalitz (en) des désintégrations en trois corps des D0 et D̄⁰ vers le même état final Phys.Rev. D78 (2008) 034023.

L'Accélérateur PEP-II n'est pas seulement une usine à méson B, de très haute luminosité. Il produit aussi des centaines de millions de mésons charmés, de lepton τ ..

Étudiant le système J/ψ π⁺π⁻ produit dans l'interaction e⁺e⁻ après rayonnement d'un photon dans l'état initial, nous avons découvert une nouvelle particule à une masse proche de 4,260 GeV/c². Cette résonance jusqu'alors inconnue a des propriétés différentes d'un méson charmonium ordinaire, état lié d'un quark c et d'un anti-quark c, et est peut-être un nouvel état de la matière, le premier état observé d'un méson hybride, état lié d'un quark c et d'un anti-quark c et d'un gluon (lire).

Analysant les désintégrations du méson ϒ(3S) dans des données dédiées acquises au début de 2008, BaBar à découvert le η_b, état fondamental du méson bottomonium qui était recherché depuis la découverte de l'ϒ en 1977. Le η_b ayant, pense-t-on, de très nombreux canaux de désintégration, la recherche a été effectuée de façon inclusive, seul le photon de recul de la désintégration radiative ϒ(3S) → η_b γ étant observé. (lire).

À côté du cœur du programme scientifique décrit ci-dessus, interaction électrofaible et interaction forte au sein du modèle standard des particules élémentaires, BaBar étudie une série de réactions susceptibles de fournir des indices de la présence de "nouvelle physique", au-delà du modèle standard. Aucune de ces recherches n'a permis d'observer de déviation signifiante, c'est-à-dire avec une valeur p correspondant à plus de cinq déviations standards (${\displaystyle 5\sigma }$), à ce jour. Ces indices nécessitent confirmation ou infirmation par d'autres expériences.

Le moment magnétique d'une particule élémentaire est proportionnel à son spin, avec un coefficient de proportionnalité qui fait intervenir un facteur ${\displaystyle g}$, dont l'équation de Dirac prédit ${\displaystyle |g|=2}$ pour les particules de spin 1/2. Des déviations à cette valeur dues à des effets de théorie quantique des champs découle l'appellation de moment magnétique anormal pour ${\displaystyle g}$. La mesure précise du moment magnétique anormal de l'électron permet d'obtenir une mesure précise de la constante de structure fine, α. La mesure précise du moment magnétique anormal du muon permet alors de tester sa prédiction par le modèle standard. L'incertitude sur le taux de production de hadrons dans les interactions électron-positron étant la contribution la plus grande à l'incertitude sur la prédiction de ${\displaystyle g_{\mu }}$, BaBar a développé une méthode utilisant le rayonnement dans l'état initial (en) pour une campagne de mesure systématique de tous les états finals accessibles qui a permis d'améliorer la précision de la connaissance de ces taux [4]. La signifiance de l'écart entre la mesure et la prédiction de ${\displaystyle g_{\mu }}$ était, fin 2017, de 4.1 déviations standards [5].

Les efforts récents consacrés à préciser la valeur de l'écart, que ce soit par le développement théorique du calcul de la valeur prédite de ${\displaystyle g}$ [6], ou par une nouvelle mesure de ${\displaystyle g}$ par l'expérience Muon g-2 (en) avec une précision améliorée [7], n'ont pas modifié notablement la situation.

Le modèle standard décrit les 3 leptons chargés connus, l'électron, le muon et le tau, comme ne différant que par leur masse. Leur charge électrique et leur constante de couplage électrofaible sont, pense-t-on, identiques. BaBar, mesurant le taux de désintégrations ${\displaystyle B\to D^{(*)}\tau \nu _{\tau }}$ et les comparant aux désintégrations sœurs ${\displaystyle B\to D^{(*)}\mu \nu _{\mu }}$ et ${\displaystyle B\to D^{(*)}e\nu _{e}}$, trouve un excès de ${\displaystyle \tau }$ avec une signifiance de 3.4 déviations standards[8]. Les expériences Belle et LHCb ont ensuite semblé confirmer l'effet: fin 2017 la signifiance combinée de l'écart était de 4.1 déviations standards [9]lire.

Cependant des mesures plus précises obtenues fin 2022 par l'expérience LHCb ne confirment pas cet indice de présence de "nouvelle physique" au delà du modèle standard [10] lire.

Le succès du modèle cosmologique standard indique l'existence d'un secteur de matière non baryonique, que l'on ne voit pas, noire, pour lequel de nombreux modèles théoriques ont été proposés mais aucune détection effectuée à ce jour. De la même façon que la matière ordinaire chargée subit les interactions électromagnétiques, la matière noire pourrait interagir par échange de "photons noirs" massifs; les interactions de ces objets avec la matière ordinaire pourraient être à l'origine de la déviation du moment magnétique anormal du muon[11]. BaBar a recherché la trace de tels photons noirs ${\displaystyle A}$ dans des réactions ${\displaystyle e^{+}e^{-}\to \gamma A}$, où ${\displaystyle A}$ sort du détecteur ou se désintègre en un état final qui sort du détecteur sans interagir, "invisible". Seul le photon serait observé. N'ayant pas trouvé d'indice signifiant de présence de tels événements, BaBar exclut [12] les valeurs des paramètres de ces photons noirs nécessaires à résoudre la déviation de ${\displaystyle g_{\mu }}$, lire.

• Modèle standard de la physique des particules

• Résultats de physique : liens.

• Détecteur : lire.

• Article détaillé mais un peu long (928 pages) écrit en commun par les deux expériences BaBar et Belle : The Physics of the B Factories Eur.Phys.J. C74 (2014) 3026.

• (en) Site officiel de l'expérience BaBar