La particule a1 produite lors de la collision se désintègre en deux particules K* et K-quer. Ceux-ci interagissent les uns avec les autres pour produire les deux particules pi et f0. Crédit :Bernhard Ketzer/Uni Bonn
Une étude internationale menée par l'Université de Bonn a trouvé des preuves d'un effet longtemps recherché dans les données des accélérateurs. La soi-disant "singularité triangulaire" décrit comment les particules peuvent changer d'identité en échangeant des quarks, imitant ainsi une nouvelle particule. Le mécanisme fournit également de nouvelles perspectives sur un mystère qui a longtemps intrigué les physiciens des particules :les protons, les neutrons et de nombreuses autres particules sont beaucoup plus lourds que ce à quoi on pourrait s'attendre. Cela est dû aux particularités de l'interaction forte qui maintient les quarks ensemble. La singularité du triangle pourrait aider à mieux comprendre ces propriétés. La publication est maintenant disponible en Lettres d'examen physique .
Dans leur étude, les chercheurs ont analysé les données de l'expérience COMPASS à l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire CERN à Genève. Là, certaines particules appelées pions sont portées à des vitesses extrêmement élevées et projetées sur des atomes d'hydrogène.
Les pions sont constitués de deux blocs de construction, un quark et un anti-quark. Ceux-ci sont maintenus ensemble par l'interaction forte, un peu comme deux aimants dont les pôles s'attirent. Lorsque les aimants sont éloignés les uns des autres, l'attraction entre eux diminue successivement. Avec l'interaction forte c'est différent :elle augmente avec la distance, similaire à la force de traction d'un élastique qui s'étire.
Cependant, l'impact du pion sur le noyau d'hydrogène est si fort que cet élastique se brise. L'« énergie d'étirement » qui y est stockée est libérée d'un seul coup. "Ceci est converti en matière, qui crée de nouvelles particules, " explique le professeur Dr. Bernhard Ketzer de l'Institut Helmholtz pour les rayonnements et la physique nucléaire de l'Université de Bonn. " Des expériences comme celles-ci nous fournissent donc des informations importantes sur l'interaction forte. "
Le professeur Dr. Bernhard Ketzer (à gauche) et Mathias Wagner (à droite) expliquent un processus spécial de diffusion de pions de haute énergie sur des protons, la singularité dite du triangle. Crédit :Volker Lannert/Uni Bonn
Signal inhabituel
En 2015, Les détecteurs COMPASS ont enregistré un signal inhabituel après un tel crash test. Cela semblait indiquer que la collision avait créé une nouvelle particule exotique pendant quelques fractions de seconde. "Les particules sont normalement constituées de trois quarks - cela inclut les protons et les neutrons, par exemple—ou, comme les pions, d'un quark et d'un antiquark, " dit Ketzer. " Ce nouvel état intermédiaire de courte durée, cependant, semblait se composer de quatre quarks."
Avec son groupe de recherche et ses collègues de l'Université technique de Munich, le physicien a maintenant soumis les données à une nouvelle analyse. "Nous avons pu montrer que le signal peut aussi s'expliquer différemment, C'est, par la singularité triangulaire précitée, " souligne-t-il. Ce mécanisme a été postulé dès les années 1950 par le physicien russe Lev Davidovich Landau, mais n'a pas encore été prouvé directement.
L'équipe du Prof. Dr. Bernhard Ketzer a développé l'instrument de mesure. Crédit :Volker Lannert/Uni Bonn
Selon ce, la collision de particules n'a pas du tout produit de tétraquark, mais un intermédiaire quark-antiquark tout à fait normal. Cette, cependant, s'est à nouveau désintégré, mais d'une manière inhabituelle :« Les particules impliquées ont échangé des quarks et changé d'identité au cours du processus, " dit Ketzer, qui est également membre du domaine de recherche transdisciplinaire "Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions" (TRA Matter). "Le signal résultant ressemble alors exactement à celui d'un tétraquark avec une masse différente." C'est la première fois qu'une telle singularité triangulaire est détectée imitant directement une nouvelle particule dans cette gamme de masse. Le résultat est également intéressant car il permet de nouveaux éclairages sur la nature de l'interaction forte.
Seule une petite fraction de la masse du proton peut être expliquée par le mécanisme de Higgs
protons, neutrons, les pions et autres particules (appelées hadrons) ont une masse. Ils obtiennent cela du soi-disant mécanisme de Higgs, mais évidemment pas exclusivement :un proton a environ 20 fois plus de masse que ne peut l'expliquer le seul mécanisme de Higgs. "La plus grande partie de la masse des hadrons est due à l'interaction forte, " Ketzer explique. " Exactement comment les masses de hadrons se forment, cependant, n'est pas encore clair. Nos données nous aident à mieux comprendre les propriétés de l'interaction forte, et peut-être les façons dont il contribue à la masse de particules. »
