Le CNRS
Liens utiles CNRSLe CNRSAnnuairesMots-Clefs du CNRSAutres sites
Accueil In2p3Accueil In2p3

Rechercher :

Rechercher:

  Accueil > Infos recherche > Nouvelles scientifiques

Nouvelles scientifiques

 

Paris, le 21 juillet 2008

 

Babar découvre le etab, état fondamental du bottomonium

 

ηb ou "etab" : c'est le nom de la particule récemment découverte par les physiciens de l'expérience Babar du Slac (Stanford linear accelerator center) à laquelle participent des laboratoires du CNRS/IN2P3 et du CEA/Irfu. Cet état fondamental du méson bottomonium — état lié d'un quark b et d'un anti-quark b — était recherché depuis plus de 30 ans, et a été identifié dans les désintégrations de la particule Υ(3S) (ou "upsilon 3S", un état excité du bottomonium). La mesure précise des caractéristiques de cette nouvelle particule est déterminante pour le test et la détermination des paramètres des modèles théoriques.

 

Analysant les désintégrations d'environ 110 millions de mésons Υ(3S), l'expérience Babar, qui utilise l'anneau de stockage PEP-II de l'accélérateur linéaire de Stanford (Slac) en Californie, a découvert l'état fondamental du bottomonium, état lié d'un quark b et d'un anti-quark b, appelé ηb (ou "etab"). Cette particule était recherchée depuis la découverte du upsilon (Υ) en 1977.

 

Babar se terminant en 2008, ses collaborateurs avaient décidé de consacrer les trois derniers mois de l’expérience, de janvier à mars, à prendre des données à une énergie correspondant à la masse des mésons Υ(3S) et Υ(2S). Cette énergie est légèrement inférieure à celle qui était utilisée depuis neuf ans, principalement en vue de l'étude des mésons beaux B et de la violation de CP dans leurs désintégrations. Babar fonctionnait alors à des énergies correspondant à la masse du méson Υ(4S) (3e état excité de l’upsilon). Avec la découverte de ηb, Babar se termine sur un véritable bouquet final.

L'observation du ηb est une étape importante de l'exploration du secteur bottomonium des hadrons, et la mesure précise de ses caractéristiques un ingrédient déterminant dans le test et la détermination des paramètres des modèles théoriques de l’interaction forte. Les deux quarks b et anti-b constituant le ηb ont la même masse, et la structure du spectre des états excités est donc semblable à celui d’autres particules comme le positronium (état lié électron-positon) ou le charmonium (état lié d’un quark et d’un anti-quark charmés). Les deux quarks sont liés par l'interaction forte, et la théorie appelée "Chromodynamique quantique" (ou QCD) ne se prête pas facilement au calcul des états liés. L'interprétation du spectre du bottonium nécessite donc l'emploi de modèles théoriques plus ou moins directement inspirés de la QCD. Ceux-ci prédisaient une très faible différence de masse entre le Υ(1S) et le ηb, qui s'étalait de 35 à environ 100 MeV. Un effet dû à leur spin, appelé "splitting hyperfin". De plus, les prédictions de la théorie sur la probabilité de désintégration du Υ(3S) en ηb et photon n’étaient pas très précises, variant de 10-4 à 10-3. Il était donc important de découvrir cette pièce manquante du puzzle des hadrons, et de mesurer ses caractéristiques avec précision.

Il était attendu que le méson ηb se désintègre en de très nombreux modes, chacun ayant une probabilité de désintégration très faible, et affecté d'un bruit de fond élevé. La recherche du ηb a donc été faite sans essayer de détecter ses produits de désintégration et seul le photon de la désintégration du Υ(3S) en ηb et γ est reconstruit. L'énergie du photon "de recul" est de 911 MeV pour un ηb ayant une masse de 9,4 GeV. L'analyse a été rendue difficile par la présence d'un bruit de fond important de photons "combinatoires". De plus, les nombreuses désintégrations d’une autre particule (appelée χbJ(2P))) en un Υ(1S) et un photon produisent un pic à une énergie pour le photon proche de 770 MeV. Enfin, la production directe de mésons Υ(1S) dans la collision positon-électron, avec rayonnement dans l'état initial (ISR), produit un autre pic moins intense (mais plus proche du photon de recul de 911 MeV), à 860 MeV. Des études effectuées sur des échantillons de contrôle, en particulier acquis à une énergie de faisceaux éloignée de toute résonance connue, ont permis de connaître avec précision la forme du pic d'ISR. L'incertitude induite sur les paramètres du ηb a été alors minime. Philippe Grenier (CNRS/IN2P3, en détachement à Slac), qui a dirigé cette analyse, explique que "la compréhension de ces deux processus a été absolument cruciale, en particulier le pic d'ISR qui est en partie confondu avec le pic du signal".

La mesure précise donne finalement une masse de 9 388,9 {+3,1} {-2,3} (incertitude statistique) ± 2,7 (incertitude systématique) MeV pour le méson ηb. La confiance statistique (ou "signifiance") est d'environ 10 déviations standard, ce qui justifie largement le terme de "découverte". La probabilité de désintégration du Υ(3S) en un ηb et un photon vaut finalement (4,8 ± 0,5 ± 1,2) × 10−4.

 

Quatre laboratoires de l'IN2P3 contribuent à l'expérience Babar : le LAL (CNRS / Université Paris-Sud-XI) à Orsay, le LAPP (CNRS / Université Chambéry) à Annecy-le-Vieux, le LPNHE (CNRS / Universités Paris-VI et VII) à Paris, le LLR (CNRS / École polytechnique) à Palaiseau. En France, ils collaborent avec le CEA/Irfu à Saclay. Une partie importante du calcul de Babar est effectuée au Centre de calcul de l’IN2P3/CNRS (Lyon - Villeurbanne).

 

 

Spectre de l'énergie des photons dus à la désintégration upsilon(3S) -> etab photon,
après soustraction du bruit de fond.
Crédit : Collaboration Babar
(réf. : http://arxiv.org/abs/0807.1086)

 

 

Collaborateurs de Babar ayant mené l’analyse
du etab:

Chris West, Peter Kim, Silke Nelson, Veronique Ziegler et Philippe Grenier.
Crédit : Slac

 

Pour en savoir plus

Contact chercheur

  • Denis Bernard, Tél : 01 69 33 55 34
Barre d'outils Accueil Imprimer Plan du site Crédits Se rendre à l'institut Boîte à outils