La physique de la beauté au LHC

La forte production des quarks $b$ et $t$ au LHC ($\sim 10^{12}$ paires de $b$ $\bar{b}$ par an) va permettre de mener une étude plus précise des deux quarks les plus massifs de la troisième famille des fermions. Avec une statistique plus importante, leur masse et leurs modes de désintégration seront mesurés avec une meilleure précision. On devrait mettre en évidence expérimentalement une violation de la symétrie CP au LHC dans le cadre de la physique des mésons $B$.

Durant les premières années de fonctionnement du LHC, la luminosité sera de $10^{33}$ $cm^{-2}s^{-1}$ (basse luminosité) et le nombre d'interactions proton-proton produites par croisement se réduit à 2 ou 3 au lieu de 25 à $1,4 \times 10^{34}$ $cm^{-2}s^{-1}$ de luminosité (haute luminosité). Cette période sera donc favorable à des études en physique de la beauté et du top grâce à des sections efficaces de production élevées et à l'isolation des particules issues de la décroissance des hadrons. Le programme de physique du quark top se concentre sur la mesure précise de sa masse et l'étude des ses modes de désintégration. Par ailleurs, le programme de physique du quark $b$ concerne essentiellement l'étude de la violation de CP.

Une étude précise du quark $b$ peut être menée au LHC grâce à certaines caractéristiques :

• pour une année à basse luminosité, le taux de production est de $5 \times 10^{12}$ paires de $b$, ce qui permet l'étude des désintégrations rares des mésons $B$ (comme $B^0_s \rightarrow J/\psi K^0_s \rightarrow \mu^+ \mu^- \pi^+ \pi^-$);
• tous les types de mésons $B$ seront accessibles, ce qui permet d'étudier à la fois les $B$ étranges, les mésons $B$ excités (comme le méson $B^{**}$) et les $B$ charmés (comme le méson B $B_c$);
• l'excellente résolution spatiale des impulsions apportée par le trajectographe de l'expérience CMS compense le fait que CMS ne peut pas identifier directement ces particules (comme $B^0_d \rightarrow \pi^+ \pi^-$).

Le programme de physique des mésons $B$ offre la possibilité de tester le modèle standard par différentes voies et qui permettraient de confirmer ou d'infirmer le modèle standard :

• la violation CP, dans le cadre de la théorie du "Big-Bang", pourrait expliquer l'absence d'anti-matière dans l'Univers - mais le taux de violation de la symétrie CP observé pourrait être trop faible.
• dans le cadre de la théorie QCD de l'interaction forte, un terme supplémentaire dans le lagrangien QCD permettrait d'induire la violation du nombre baryonique $B$ au LHC. Mais un tel terme contribuerait au moment dipolaire électrique du neutron et celui-ci n'a pas été observé à ce jour. La violation de la symétrie CP devrait être assez importante dans un système de mésons $B$ au LHC pour (peut-être) lever l'ambiguïté.