L'équipe de l'Université Fudan extrait pour la première fois l'élément de matrice CKM |Vus| grâce à l'intrication quantique dans une expérience de collisionneur

Dans la soirée du 2 septembre 2026, heure de Pékin, l'équipe de Luo Tao de l'Institut de physique moderne de l'Université Fudan et ses collaborateurs ont publié dans *Nature* un article intitulé « Exploring baryon semileptonic decays through polarization and entanglement ». Cette étude a permis, pour la première fois dans une expérience de collisionneur, d'extraire l'élément de matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) |Vus| en utilisant l'intrication quantique et les informations de polarisation, ouvrant ainsi une nouvelle voie expérimentale pour tester avec précision le modèle standard de la physique des particules.

La matrice CKM décrit l'intensité des transitions entre différents quarks sous l'interaction faible. Parmi ses éléments, |Vus| correspond à la transition du quark étrange vers le quark up, et sa précision numérique est liée à la vérification du mécanisme de mélange des trois générations de quarks dans le modèle standard. Actuellement, les résultats de |Vus| issus de différents processus de désintégration présentent encore des écarts, et le test d'unitarité de la première ligne de la matrice CKM montre également une certaine tension, d'où la nécessité de méthodes de mesure indépendantes supplémentaires pour validation.

Cette étude se concentre sur la désintégration bêta de l'hypéron Λ. L'hypéron Λ est composé d'un quark up, d'un quark down et d'un quark étrange, et peut se désintégrer en d'autres particules en un temps extrêmement court. Son processus de désintégration bêta implique la transition du quark étrange vers le quark up, avec production simultanée d'un électron et d'un antineutrino. Étant donné que l'antineutrino est difficile à détecter directement par les détecteurs, les mesures traditionnelles rencontrent des difficultés considérables.

Schéma de la désintégration bêta de la particule Λ : la particule Λ se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino électronique via un boson W⁻ virtuel. Le diagramme circulaire illustre l'ampleur relative des facteurs de forme vectoriels et axiaux dominants participant à ce processus de transition

Dans l'expérience du spectromètre BESIII (Beijing Spectrometer III), les Λ et anti-Λ sont produits par paires et maintiennent une intrication quantique de spin. L'équipe de recherche a déduit les informations de l'anti-Λ en détectant les particules de désintégration visibles du côté de l'anti-Λ, puis a obtenu indirectement les informations de production du Λ grâce à la relation d'intrication quantique ; pour l'antineutrino invisible, ils ont utilisé la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement pour le déduire. L'équipe a intégré la production, la polarisation, l'intrication quantique et les désintégrations des deux côtés du Λ et de l'anti-Λ dans une même méthode d'analyse par ajustement multidimensionnel de distributions angulaires conjointes, permettant ainsi d'extraire des informations physiques qui étaient auparavant difficiles à distinguer.

Résultats liés à |Vus| : (figure de gauche) montre la contrainte d'unitarité de la première ligne de la matrice CKM, ainsi que les valeurs moyennes mesurées respectivement par la désintégration des mésons K et la désintégration des leptons τ, les deux résultats de désintégration des hypérons étant tirés des travaux de Cabibbo ; (figure de droite) présente les différentes contributions à l'incertitude de mesure de |Vus| de cette étude, exprimées sous forme de variances.

Cette recherche a duré six ans et demi. En raison de la très faible probabilité de désintégration bêta de l'hypéron Λ, l'équipe a finalement sélectionné 1854 événements de signal parmi 10 milliards d'événements de désintégration de J/ψ, le nombre d'événements de signal ne représentant qu'un vingtième de celui des expériences antérieures du Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) aux États-Unis. Malgré la statistique limitée, l'équipe de recherche a néanmoins atteint une précision de mesure comparable à celle des expériences de haute précision existantes, et a mesuré pour la première fois le rapport d'embranchement absolu de la désintégration bêta de l'hypéron Λ, les paramètres de couplage électrofaible ainsi que plusieurs paramètres de désintégration de l'anti-Λ, comblant ainsi les lacunes expérimentales correspondantes.

Les chercheurs ont indiqué que l'importance de ce travail ne réside pas seulement dans l'obtention de nouvelles valeurs expérimentales, mais aussi dans la démonstration que l'intrication quantique et l'analyse de polarisation peuvent être converties en informations de mesure pratiques dans la désintégration bêta des baryons. Cette méthode a déjà été étendue à d'autres études sur les baryons dans le cadre de BESIII, et devrait fournir un soutien méthodologique pour davantage de mesures de désintégration bêta des hypérons ainsi que pour les recherches liées aux futures grandes installations scientifiques.

Luo Tao, professeur à l'Institut de physique moderne de l'Université Fudan, est l'auteur de correspondance effectif de l'article, et Wang Shun, professeur associé spécialement recruté à la Faculté des mathématiques et de la physique de l'Université des sciences et technologies du Sud-Ouest, est le premier auteur effectif de l'article. Des chercheurs de l'Université du Sud-Est, de l'Institut de physique des hautes énergies de l'Académie chinoise des sciences, de l'Université d'Uppsala en Suède et d'autres institutions ont participé à l'achèvement de ces travaux. La recherche a bénéficié du soutien du programme clé de recherche et développement du ministère des Sciences et Technologies, de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, du ministère de l'Éducation et d'autres projets.