Une étude, dont les résultats intitulés «Observation of CP violation in charm decays» ont été soumis à la revue Physical Review Letters et sont déjà disponibles en pdf, rapporte l'observation par la collaboration LHCb, au CERN, pour la première fois, de l'asymétrie entre matière et antimatière connue comme la violation de CP pour une particule appelée le méson D⁰, un résultat, qui devrait faire date dans les manuels de physique des particules.

Concrètement, «depuis la découverte du méson D, il y a plus de 40 ans, les physiciens des particules pressentaient que la violation de CP avait lieu également dans ce système, mais ce n'est que maintenant, en utilisant la quasi-totalité des données collectées par l'expérience, que la collaboration LHCb a enfin pu observer cet effet». Rappelons ici que «le terme violation de CP fait référence à la transformation qui échange une particule avec l'image miroir de son antiparticule».

Plus précisément, «on sait que les interactions faibles du Modèle standard de la physique des particules provoquent une différence entre le comportement de certaines particules et celui de leurs partenaires de CP, et cette asymétrie est appelée violation de CP», un effet «observé pour la première fois dans les années 1960, au Laboratoire de Brookhaven (États-Unis), avec des particules appelées mésons K neutres, qui contiennent un quark s». Ensuite, en 2001, «des expériences menées aux laboratoires SLAC (États-Unis) et KEK (Japon) ont également observé ce phénomène avec des mésons neutres B, qui contiennent un quark b». Notons que «ces découvertes ont été à l'origine de l'attribution de deux prix Nobel, l'un en 1980 et l'autre en 2008».

En fait, «la violation de CP est un phénomène essentiel dans notre Univers car il est nécessaire pour donner naissance aux processus qui, après le Big Bang, ont été à l'origine de la prépondérance de la matière par rapport à l'antimatière que nous observons dans l'Univers actuel». Toutefois, «la valeur de la violation de CP observée jusqu'ici dans les interactions du Modèle standard» est «trop faible pour expliquer le déséquilibre actuel entre matière et antimatière, ce qui laisse imaginer l'existence de sources supplémentaires, encore inconnues, de violation de CP».

Alors que, jusqu'à présent, «la violation de CP avait été observée uniquement dans des particules contenant un quark s ou un quark b», comme «le méson D⁰ est composé d'un quark c et d'un antiquark u», les observations en question ici confirment «le modèle de la violation de CP décrit dans le Modèle standard par la matrice de mélange dite de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), qui caractérise la manière dont les quarks de différents types se transforment les uns en les autres lors d'interactions faibles».

Dans un contexte où «l'origine profonde du phénomène décrit par la matrice CKM et la recherche de sources et de manifestations supplémentaires de la violation de CP font partie des grandes questions en suspens de la physique des particules», la découverte «de la violation de CP dans le cas du méson D⁰ est le premier signe de cette asymétrie pour le quark c», qui «ajoute de nouveaux éléments à l'étude de ces questions».

L'observation cette asymétrie de CP par les scientifiques de LHCb découle de l'analyse de «l'ensemble des données fournies entre 2011 et 2018 par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) à l'expérience LHCb, afin d'y chercher les désintégrations en kaons ou en pions du méson D⁰ et de son antiparticule, l'anti-D⁰». 

Cet échantillon de particules D⁰ ayant «atteint la sensibilité nécessaire pour mesurer la petite valeur de la violation de CP attendue pour ces désintégrations», pour «mesurer l'importance de la violation», il a suffi «de compter les désintégrations des D⁰ et des anti-D⁰ et de calculer la différence entre les deux» avec, au bout du compte, un résultat ayant «une signification statistique de 5,3 écarts-types», c'est-à-dire dépassant «le seuil de 5 écarts-types utilisé par les physiciens des particules pour valider une découverte».