Les physiciens du Cern ont découvert une pléthore de nouvelles particules exotiques créées lors des collisions produites par le Grand collisionneur de hadrons au cours des dernières années. En fait, on en a tellement découvert que notre collaboration (LHCb), qui a découvert 59 des 66 particules récentes, a mis au point un nouveau schéma de nommage pour nous aider à imposer un certain ordre au zoo de particules en pleine croissance.

Les physiciens des particules ont une histoire plutôt mouvementée lorsqu'il s'agit de nommer les choses. Au fur et à mesure que de plus en plus de particules ont été découvertes au cours du XXe siècle, la nomenclature est devenue de plus en plus confuse. Par exemple, dans le groupe des leptons, nous avons des électrons, des muons puis des taus, mais pas des tauons.

Et lorsque deux équipes rivales dans les années 1970 n'ont pas pu se mettre d'accord pour savoir si une nouvelle particule composée de deux quarks (les plus petits éléments constitutifs de la matière) qu'elles venaient de découvrir devait s'appeler J ou ψ (psi), elles ont fini par écraser maladroitement les deux noms. ensemble pour obtenir J/ψ.

Aujourd'hui encore, les physiciens ne parviennent pas à se mettre d'accord sur le fait d'appeler le cinquième quark le plus lourd "bottom" ou "beauté" - et utilisent donc les deux de manière interchangeable. Et ne commençons même pas par le bestiaire épouvantablement nommé des particules prédit par la théorie connue sous le nom de "supersymétrie", qui suggère que chaque particule que nous connaissons a également un super partenaire (encore inconnu):sstrange [sic], squark, smuon ou gluino n'importe qui ? Franchement, c'est aussi bien qu'ils ne semblent pas exister.

Hadrons complexes

Le LHC a été un trésor pour de nouveaux types de particules appelées hadrons. Ce sont des particules subatomiques composées de deux ou plusieurs quarks. Classiquement, ceux-ci sont de deux types. Les baryons, comme les protons et les neutrons qui composent le noyau atomique, sont constitués de trois quarks. Les mésons, quant à eux, sont constitués d'un quark couplé à un antiquark (chaque particule fondamentale a une antiparticule de même masse mais de charge opposée).

Bien qu'il n'y ait que six types différents de quarks, et que seulement cinq d'entre eux forment des hadrons, il existe un grand nombre de combinaisons possibles. Dans les années 1980, les physiciens des particules ont conçu un système de dénomination pour le zoo des hadrons, avec un symbole pour chaque particule qui permettait de discerner facilement son contenu en quarks, comme la lettre grecque Π (pi) pour désigner les pions, les mésons les plus légers.

Jusqu'à ces dernières années, toutes les particules nouvellement découvertes s'inscrivaient parfaitement dans ce schéma en tant que baryons ou mésons. Mais les scientifiques ont finalement réalisé que des hadrons plus compliqués avec plus de trois quarks pouvaient également être possibles :les soi-disant tétraquarks, composés de deux quarks et de deux antiquarks; et les pentaquarks, composés de quatre quarks et d'un antiquark (ou l'inverse).

Les premiers candidats tétraquarks clairs ont été découverts par les collaborations Belle et BESIII, et étiquetés Z_c états (c'était un choix aléatoire, X et Y avaient déjà été utilisés pour étiqueter d'autres états). Cela a été suivi par la découverte spectaculaire d'états de pentaquark, étiquetés P_c , par la collaboration LHCb. Depuis 2019 environ, le rythme de découverte s'est accéléré, avec des noms tels que X, Z_cs , P_cs et T_cc étant attribué de manière plus ou moins ad-hoc, conduisant à une soupe alphabétique de particules.

L'absence de logique sous-jacente aux noms donnés aux nouvelles particules a conduit, peut-être inévitablement, à une certaine confusion. Un problème particulier était que l'indice "c" dans le Z_c et P_c signifiait que ces hadrons contenaient à la fois des quarks charme et anticharme (parfois appelés "charme caché"). En revanche, l'indice "s" dans le Z_cs et P_cs implique que ces hadrons contiennent également un quark étrange ("étrangeté ouverte"). Alors, comment nommer les états qui contiennent à la fois du charme ouvert (un quark charme seul) et de l'étrangeté, comme l'a récemment découvert la collaboration LHCb ?

Alors que la gamme de nouveaux états et leurs noms risquaient de devenir encore plus perplexes, nous et nos collègues de la collaboration LHCb avons décidé qu'il était temps d'essayer de rétablir un semblant d'ordre, du moins pour les particules nouvellement découvertes. Notre nouveau schéma de nommage suit certains principes directeurs. Premièrement, l'idée de base doit être suffisamment simple pour que les non-experts puissent la suivre, réalisée avec un symbole de base T pour les tétraquarks et P pour les pentaquarks.

Le schéma doit également permettre de distinguer toutes les combinaisons possibles; cela se fait en ajoutant des exposants et des indices à la base pour indiquer de quels quarks chaque particule est constituée et d'autres informations quantiques. Mais ceux-ci doivent être cohérents avec le schéma existant pour les mésons et baryons conventionnels, obtenu en réutilisant les symboles existants.

Les noms actuels des hadrons exotiques devraient cependant être modifiés. Par exemple, le Z_cs et P_cs les états mentionnés ci-dessus deviendront connus sous le nom de T_ψs et P_ψs , respectivement (la particule J/ψ contient un charme caché), résolvant le problème de distinguer le charme caché du charme ouvert en réutilisant ψ pour le premier et c pour le second.

Le dernier principe directeur derrière le schéma est qu'il doit être accepté par l'ensemble de la communauté de la physique des particules. Bien que la collaboration LHCb ait découvert la plupart des nouvelles particules, ce qui nous donne traditionnellement certains droits de dénomination, il existe d'autres expériences en cours et prévues dans ce domaine, et leurs contributions sont essentielles pour le progrès du domaine. Il y a aussi, bien sûr, de nombreux théoriciens à travers le monde qui travaillent dur pour interpréter les mesures qui sont faites.

Les principes généraux et les détails du nouveau schéma de nommage ont été discutés avec ces différents groupes, avec des commentaires positifs et constructifs intégrés dans notre version finale.

Un schéma de nommage est une partie importante du langage utilisé pour communiquer entre les personnes travaillant en physique des particules. Nous espérons que ce nouveau schéma aidera dans la quête en cours pour comprendre comment la soi-disant force forte confine les quarks à l'intérieur des hadrons, par exemple, une caractéristique qui défie une compréhension mathématique approfondie.

De nouveaux résultats expérimentaux, notamment la découverte de nouveaux hadrons, alimentent les améliorations de la compréhension théorique. D'autres découvertes pourraient un jour mener à une percée. En fin de compte, cependant, le succès du nouveau système sera jugé par la fréquence à laquelle les conversations incluent la phrase :"Rappelle-moi, lequel est-ce encore ?" + Explorer plus loin

LHCb découvre trois nouvelles particules exotiques :le pentaquark et la toute première paire de tétraquarks

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine.