Prédire les propriétés des particules subatomiques avant leur découverte expérimentale a été un grand défi pour les physiciens. Dans un article récent publié le 28 juillet dans Lettres d'examen physique Nilmani Mathur de l'Institut de recherche fondamentale Tata, Bombay, et M. Padmanath, un ancien élève du TIFR, ont prédit les nombres quantiques de cinq ⁰ c baryons récemment découverts par une expérience au Large Hadron Collider (collaboration LHCb) au CERN. Ces résultats aideront à comprendre la nature des interactions fortes dans l'Univers.

Un baryon est une particule subatomique composée de trois quarks de valence et est liée par des gluons par le biais d'interactions fortes. Le baryon le plus connu est le proton qui, avec un électron, constitue un atome d'hydrogène. Une image simpliste d'un proton est une combinaison de deux quarks up et d'un quark down. Dans la théorie des interactions fortes, il existe six quarks avec chacun trois charges de couleur. Cette théorie permet toute combinaison d'un quark et d'un anti-quark ainsi que toute combinaison de trois quarks dans un état de couleur neutre résultant en des variétés de particules subatomiques appelées mésons et baryons, respectivement. La découverte de nombreux mésons et baryons depuis le milieu du 20ème siècle, a joué un rôle crucial dans la compréhension de la nature des interactions fortes. On s'attend à ce que de nombreux autres mésons et baryons soient découverts dans les expériences en cours au CERN et dans les futures expériences à haute énergie.

Ces baryons récemment découverts sont appelés Ω ⁰ c composé de deux quarks étranges et d'un quark charm. Ce sont les états excités de Ω ⁰ c baryon, tout comme les états excités de l'atome d'hydrogène.

La chromodynamique quantique (QCD) qui est considérée comme la théorie des interactions fortes, est une théorie hautement non linéaire et ne peut être résolue analytiquement qu'à des énergies très élevées où la force des interactions est assez faible. Jusqu'à présent, il n'y a pas de solution analytique de QCD pour obtenir les propriétés des particules subatomiques, comme le proton et c . Cela nécessite la mise en œuvre numérique de la QCD sur les réseaux spatio-temporels, connue sous le nom de lattice QCD (LQCD). Les méthodes LQCD peuvent décrire le spectre des particules subatomiques ainsi que leurs propriétés, comme les constantes de décroissance. LQCD joue également un rôle crucial dans la compréhension de la matière à haute température et densité similaire à la condition dans les premiers stades de l'univers.

Dans ce travail, Padmanath et Nilmani ont prédit les nombres quantiques de ces nouvellement découverts ⁰ c baryons qui étaient autrement inconnus expérimentalement. En réalité, Les travaux de thèse de Padmanath ont prédit les masses de ces particules quatre ans avant leur découverte. En utilisant des méthodes de pointe de LQCD et des ressources de calcul du Département de physique théorique et de l'Initiative indienne sur la théorie des jauges de réseau (ILGTI), ils ont effectué une détermination précise et systématique des énergies et des nombres quantiques pour la tour des états excités de ⁰ c baryons. Leurs résultats prédits sont comparés aux résultats expérimentaux (voir tableau). Les nombres quantiques prédits de ces particules aideront à comprendre les propriétés de ces particules, qui à leur tour aideront à comprendre la nature des interactions fortes.

Depuis 2001, Nilmani et ses collaborateurs ont prédit les masses de diverses autres particules subatomiques avec différents contenus en quarks dont certaines ont déjà été découvertes (après avoir été prédites) et beaucoup d'autres seront vraisemblablement découvertes dans de futures expériences. Par exemple, leur prédiction de la masse de cc baryon (un baryon composé de deux quarks charmés et d'un quark léger) dès 2001 et jusqu'en 2014 a été confirmé par la découverte de cette particule le 6 juillet, 2017, par la collaboration LHCb.

Nilmani et Padmanath ainsi que d'autres physiciens théoriciens du TIFR étudient actuellement les propriétés de diverses particules subatomiques, en particulier ceux constitués de quarks lourds, à l'aide de simulations informatiques à grande échelle. Ils utilisent les installations de calcul du centre informatique de haute performance d'ILGTI au Balloon Facility, Hyderabad, qui héberge un supercalculateur Cray. Les résultats de leurs travaux permettront de comprendre la nature des interactions fortes dans l'Univers.