Petit voyage au cœur de la matière Frédéric Ronga Soutenance publique de thèse 21 novembre 2003 Mesure de l’oscillation B0–B0 sur l’expérience Belle à l’aide d’événements dileptons marqués par un pion lent

Les questions fondamentales De quoi la matière est-elle constituée ? Comment tient-elle ensemble ?  Modèle de l’univers Empédocle – Ve siècle av. J.-C. Modèle simple : 4 éléments Peu prédictif ! N’explique pas les observations

Ve siècle av. J.-C.: Empédocle – 4 éléments fondamentaux 1869: D. Mendeleev – tableau périodique des éléments 1897: J.J. Thomson – l’électron 1911: E. Rutherford – noyau de l’atome proton neutron

1964: M. Gell-Mann – protons et neutrons sont formés de quarks neutron proton 1964–1967: Glashow & co. – émergence du « Modèle standard » Constituants de la matière : les quarks les leptons proton (uud) neutron (udd) électron muon

Asymétrie matière – anti-matière ! L’anti-matière! 1928: P.A.M. Dirac – postulation de l’existence d’anti-électrons Anderson, 1933 Même masse Charge opposée matière + anti-matière = énergie création annihilation E = mc2 Asymétrie matière – anti-matière !

Les 4 interactions fondamentales Gravitation Electro-magnétisme Force forte Force faible

Résumé : le Modèle Standard Les briques : antiquarks et antileptons Baryons qqq Exemple : proton uud Mésons qq Exemple : B0 bd Le ciment : 4 types de bosons intermédiaires Interaction Médiateur Gravitation Electro-magnétisme Force forte Force faible Graviton G Photon g 8 gluons g Bosons W+, W-, Z0 Interaction Médiateur Gravitation Electro-magnétisme Force forte Force faible Graviton G Photon g 8 gluons g Bosons W+, W-, Z0

Addendum sur les interactions Représentation des interactions : diagrammes de Feynman Distance e– e+ e- g Annihilation et création Temps Rappel L’interaction faible : enfant terrible ou génie incompris ?  elle permet le « mélange des quarks » b d W t b d W t B0 W t b d Oscillation B0–B0

Les instruments de mesure Production de masse : L’« usine à B » du KEK 2. Détection des particules L’expérience « Belle » 3. Analyse des données Linux, BASF, ROOT & co.

Production de masse Accélération et collision électron-positron à haute énergie (~vitesse de la lumière) Production de la résonance (4S) Désintégration en une paire en mouvement (faisceaux asymétriques) (B0B0) ou (B+B–) ~1 kilomètre 150 millions de paires en 4 ans ! Y(4S) b e+ e– g Désintégration en particules plus stables u B– B+ d B0 q

Le détecteur Belle Environ 300 physiciens 11 pays du monde entier étude de l’asymétrie matière – anti-matière Belle pour… Beauté : le quark beauty Mésons B électron – positron : el – le

La détection des particules Identité : Compteurs Tcherenkov KLM Energie : Calorimètres e+ Trajectoires : détecteur de vertex chambres à dérive aimant ~ 6.6 m ~ 7.3 m

La détection des particules (suite) Recueilli électroniquement Traité par ordinateur ~10 paires par seconde

Description de l’analyse But : Mesure de l’oscillation B0–B0 B0 B0 b d W t B0 Processus aléatoire Au départ (t = 0): un B0 Il évolue et oscille (t augmente…) Désintégration : soit sous forme de B0 B0

Le cas de Belle Y(4S)  B0B0 Au départ (t = 0) : (B0 B0) Les 2 mésons oscillent ensemble 1 méson se désintègre, l’autre oscille librement Désintégration du 2e méson : 1+cos(Dm Dt) 1-cos(Dm Dt) Dt soit B0 B0 soit B0 B0 / B0 B0 mesure du temps  mesure de distance

Sélection des mésons B neutres 1. Utilisation des désintégrations (semi-)leptoniques : La charge des leptons donne le signe ! Le lepton donne aussi la position B0  X- l+ n B0  X+ l- n 2. Problème : il y a beaucoup de mauvais leptons ! p. ex. B+  X0 l+ n B-  X0 l- n  On recherche un pion (lent) : B0  X- l+ n et X-  Y0 p- B0  X+ l- n Bonus : la « masse manquante  »

Mesure de l’oscillation Sélectionner 2 leptons et 1 pion Déterminer le signe des leptons Déterminer la position de production des leptons Représenter graphiquement le tout : Dm = 0.5 ps-1 Dm = 2.0 ps-1 Dm = 0.1 ps-1 Simulation ! 5. Ajustement de paramètres pour obtenir Dm

Les contraintes de la réalité La mesure de la distance est imprécise (0.2 mm de résolution) Beaucoup de mauvais leptons (pureté : 75%) Beaucoup de leptons (13’553 SS + 54’913 OS, e = 0.6%)  L’ajustement de paramètres est un art ! Réalité ! SS OS Dm = 0.513 ps-1 Dm = 0.513±0.006±0.008 ps-1

Synthèse et conclusion Mesure de haute précision (2%) ! Dm = 0.513±0.006±0.008 ps-1 Contribution significative Méthode « originale » appliquée à l’environnement de Belle Où est passée l’anti-matière ?

© F. Ronga – 2003