La collaboration LHCb au CERN a annoncé la découverte d'une nouvelle particule exotique :un "tétraquark". L'article de plus de 800 auteurs n'a pas encore été évalué par d'autres scientifiques dans le cadre d'un processus appelé « revue par les pairs », mais a été présenté lors d'un séminaire. Il répond également au seuil statistique habituel pour revendiquer la découverte d'une nouvelle particule.

La découverte marque une percée majeure dans une recherche de près de 20 ans, réalisés dans des laboratoires de physique des particules du monde entier.

Pour comprendre ce qu'est un tétraquark et pourquoi la découverte est importante, nous devons remonter dans le temps jusqu'en 1964, quand la physique des particules était en pleine révolution. La Beatlemania venait d'exploser, la guerre du Vietnam faisait rage et deux jeunes radioastronomes du New Jersey venaient de découvrir la preuve la plus solide de la théorie du Big Bang.

De l'autre côté des États-Unis, au California Institute of Technology, et de l'autre côté de l'Atlantique, au CERN en Suisse, deux physiciens des particules publiaient deux articles indépendants sur le même sujet. Les deux concernaient la façon de donner un sens au nombre énorme de nouvelles particules découvertes au cours des deux dernières décennies.

De nombreux physiciens ont eu du mal à accepter qu'autant de particules élémentaires puissent exister dans l'univers, dans ce qui était devenu le « zoo des particules ». George Zweig de Caltech et Murray Gell-Mann du CERN avaient trouvé la même solution. Et si toutes ces différentes particules étaient vraiment faites de plus petites, blocs de construction inconnus, de la même manière que la centaine d'éléments du tableau périodique sont constitués de protons, neutrons et électrons ? Zweig a appelé ces blocs de construction "les as", tandis que Gell-Mann a choisi le terme que nous utilisons encore aujourd'hui :"quarks".

Nous savons maintenant qu'il existe six types différents de quarks :up, vers le bas, charme, étrange, Haut, bas. Ces particules ont également des compagnons antimatière respectifs de charge opposée, qui peuvent se lier selon des règles simples basées sur des symétries. Une particule constituée d'un quark et d'un antiquark est appelée un « méson »; tandis que trois quarks liés ensemble forment des "baryons". Les protons et les neutrons familiers qui composent le noyau atomique sont des exemples de baryons.

Ce schéma de classification décrivait magnifiquement le zoo de particules des années 1960. Cependant, même dans son papier original, Gell-Mann s'est rendu compte que d'autres combinaisons de quarks pourraient être possibles. Par exemple, deux quarks et deux antiquarks pourraient se coller ensemble pour former un "tétraquark", tandis que quatre quarks et un antiquark feraient un « pentaquark ».

Particules exotiques

Avance rapide jusqu'en 2003, lorsque l'expérience Belle au laboratoire KEK au Japon a rapporté l'observation d'un nouveau méson, appelé X(3872), qui présentaient des propriétés "exotiques" assez différentes des mésons ordinaires.

Dans les années suivantes, plusieurs nouvelles particules exotiques ont été découvertes, et les physiciens ont commencé à se rendre compte que la plupart de ces particules ne pouvaient être expliquées avec succès que s'il s'agissait de tétraquarks constitués de quatre quarks au lieu de deux. Puis, en 2015, l'expérience LHCb au CERN a découvert les premières particules de pentaquark constituées de cinq quarks.

Tous les tétraquarks et pentaquarks découverts jusqu'à présent contiennent deux quarks charmés, qui sont relativement lourds, et deux ou trois quarks légers—up, bas ou étrange. Cette configuration particulière est en effet la plus facile à découvrir expérimentalement.

Mais le dernier tétraquark découvert par LHCb, qui a été surnommé X (6900), est composé de quatre quarks charmés. Produit dans des collisions de protons à haute énergie au Large Hadron Collider, le nouveau tétraquark a été observé via sa désintégration en paires de particules bien connues appelées mésons J/psi, chacun composé d'un quark charm et d'un antiquark charm. Cela le rend particulièrement intéressant car il n'est pas seulement composé entièrement de quarks lourds, mais aussi quatre quarks du même genre, ce qui en fait un spécimen unique pour tester notre compréhension de la façon dont les quarks se lient entre eux.

Pour l'instant, il existe deux modèles différents qui pourraient expliquer comment les quarks se lient entre eux :il se pourrait qu'ils soient fortement liés, créant ce que nous appelons un tétraquark compact. Ou il se pourrait que les quarks soient arrangés pour former deux mésons, qui sont collés ensemble de manière lâche dans une "molécule".

Les molécules ordinaires sont constituées d'atomes liés entre eux par la force électromagnétique, qui agit entre les noyaux chargés positivement et les électrons chargés négativement. Mais les quarks d'un méson ou d'un baryon sont connectés via une force différente, la "force forte". Il est vraiment fascinant que les atomes et les quarks, suivant des règles très différentes, peuvent tous deux former des objets complexes très similaires.

La nouvelle particule semble être plus cohérente avec le fait d'être un tétraquark compact plutôt qu'une molécule à deux mésons, ce qui était la meilleure explication des découvertes précédentes. Cela le rend inhabituel, car il permettra aux physiciens d'étudier en détail ce nouveau mécanisme de liaison. Cela implique également l'existence d'autres tétraquarks compacts lourds.

Fenêtre sur le microcosme

La force puissante opérant entre les quarks obéit à des règles très compliquées - si compliquées, En réalité, qu'habituellement la seule façon de calculer ses effets est d'utiliser des approximations et des supercalculateurs.

La nature unique du X (6900) aidera à comprendre comment améliorer la précision de ces approximations, pour qu'à l'avenir nous puissions en décrire d'autres, mécanismes plus complexes en physique qui ne sont pas à notre portée aujourd'hui.

Depuis la découverte du X(3872), l'étude des particules exotiques a prospéré, avec des centaines de physiciens théoriques et expérimentaux travaillant ensemble pour faire la lumière sur ce nouveau domaine passionnant. La découverte du nouveau tétraquark est un grand pas en avant, et indique qu'il existe encore de nombreuses nouvelles particules exotiques, en attendant que quelqu'un les dévoile.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.