À la fin de 2023, Wojciech Brylinski analysait les données de la collaboration NA61 / Shine au CERN pour sa thèse lorsqu’il a remarqué une anomalie inattendue – un déséquilibre étonnamment important entre les kaons chargés et neutres dans les collisions Argon – Sandium. Il a constaté que, au lieu d’être produit en nombre à peu près égal, les kaons chargés étaient produits 18,4% plus souvent que les kaons neutres.
Cela suggère que la soi-disant «symétrie isospin» entre les quarks de haut en bas pourrait être brisée plus que prévu en raison des différences dans leurs charges et masses électriques – un écart que les modèles théoriques existants auraient du mal à expliquer. Les sources connues d’asymétrie isospin ne prédisent que des écarts de quelques pour cent.
« Lorsque Wojciech a commencé, nous avons pensé que ce serait une vérification triviale de la symétrie », explique Marek Gaździcki, qui a été porte-parole de NA61 / Shine au moment de la découverte. « Nous nous attendions à ce que la symétrie soit étroitement respectée – bien que nous ayons déjà mesuré ces types de divergences lors de l’expérience NA49, ils avaient de grandes incertitudes et n’étaient pas significatifs. »
La symétrie isospin est une facette de symétrie de saveur, par laquelle la forte interaction traite toutes les saveurs de quark de manière identique. Cela signifie que tous les types de quarks devraient se comporter de la même manière sous la forte interaction, à l’exception des différences cinématiques résultant de leurs différentes masses. L’isospin n’est pas une symétrie de l’interaction électromagnétique car les quarks de haut en bas ont des charges électriques différentes.
Selon la symétrie ISOspin, de fortes interactions dans les collisions lourdes ioniennes devraient générer des quantités presque égales de kaons chargés (comprenant soit un quark up et un étrange antiquark, soit un antiquark up et un étrange Quark) et des kaons neutres (comprenant soit un Quark à la duvet et un antiquark étrange ou un antiquark baissé et un quark étrange), compte tenu des masses similaires de haut et de quartiers inférieurs. NA61 / Shine les données contredisent l’hypothèse de rendements égaux avec une signification de 4,7σ.
« Je vois deux façons d’interpréter les résultats », explique Francesco Giacosa, un physicien théorique travaillant avec NA61 / Shine. « Premièrement, nous pourrions sous-estimer substantiellement le rôle des interactions électromagnétiques dans la création de paires de quark-antiquark. Deuxièmement, ces résultats pourraient signifier que les interactions fortes n’obéissent pas à la symétrie de saveur. Si cela est vrai, cela contredit la combinaison des physiciens et des gluons (les opérateurs de l’interaction forte (QCD). »
Bien que l’expérience mesure régulièrement les rendements des particules dans les collisions nucléaires, trouver une différence dans la symétrie isospin n’était pas quelque chose que les chercheurs recherchaient activement. L’objectif principal de NA61 / Shine est d’étudier les propriétés de la production de hadrons lorsque les faisceaux du synchrotron Super Proton du CERN entrent en collision avec une variété de cibles nucléaires fixes. Ces données sont également partagées avec des expériences de Neutrino et Cosmic Ray, telles que T2K, pour les aider à affiner leurs modèles.
La collaboration prévoit désormais des études supplémentaires sur ce nouveau résultat, en utilisant différents projectiles, cibles et énergies de collision pour déterminer si cet effet est unique à certaines collisions lourdes ou est une caractéristique plus générale des interactions à haute énergie. Il a également mis un appel aux physiciens théoriques pour aider à expliquer ce qui aurait pu provoquer une asymétrie aussi importante.
« Nous avons essayé d’adapter les données dans les modèles actuels et existants, mais cela n’a pas fonctionné du tout – ce n’était tout simplement pas possible », explique Giacosa. « Nous avons besoin de plus de données expérimentales et de prédictions théoriques pour combler notre lacune dans la connaissance de la forte interaction. Donc, la vraie question est: quelle est la prochaine? »
Plus d’informations:
Preuve de violation de la systémmétrie par isospin dans les collisions à haute énergie des noyaux atomiques, arxiv (2023). Doi: 10.48550 / arxiv.2312.06572