Le Modèle Standard est le modèle théorique de référence utilisé pour décrire le comportement des particules et leurs interactions. Ce modèle fait de nombreuses prédictions dont beaucoup ont déjà été validées mais aussi dont beaucoup attendent encore d’être testées. La mise à l’épreuve des différents postulats du Modèle Standard est donc primordiale.

C’est particulièrement le cas des prédictions effectuées dans le cadre de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie quantique décrivant l’interaction nucléaire forte. Cette dernière constitue un domaine de recherche très actif en physique théorique au regard de sa très grande complexité. La QCD prédit notamment l’existence de particules composites, composées exclusivement de gluons : les glueballs, ou « boules de glu ».

Bien que non encore observées expérimentalement, les glueballs constituent une prédiction fondamentale du Modèle Standard, car leur existence conditionne la validité même de la QCD (1).

Les glueballs : une prédiction de la chromodynamique quantique

La théorie de la QCD prévoit qu’à haute énergie, les gluons, c’est-à-dire les bosons médiateurs de l’interaction forte, peuvent s’agencer entre eux pour former des structures. Les glueballs sont donc des particules composites formées uniquement de gluons, sans la présence de quarks de valence. Un tel agencement est possible car comme les quarks, les gluons sont également sensibles à l’interaction forte (du fait qu’ils possèdent une charge de couleur), et peuvent donc être « collés » entre eux par cette dernière.

hadrons gluons quarks glueballs

À gauche : les hadrons, comme les protons et les neutrons, sont composés de quarks liés entre eux par les gluons. À droite : les glueballs sont constituées uniquement de gluons dépourvus de quarks. Crédits : Phys.org

Dans le cadre de la QCD, ces boules de gluons émergent naturellement à hautes énergies. Les outils théoriques fournis par le Modèle Standard permettent de prédire, à partir des différentes constantes physiques fondamentales, les seuils d’énergie auxquels les glueballs sont censées apparaître. De tels calculs sont néanmoins éminemment complexes. C’est pourquoi les scientifiques utilisent une variante « simplifiée » de la QCD appelée « chromodynamique quantique sur réseau ».

Cette technique permet de modéliser l’espace-temps comme un réseau quadrillé sur ordinateur, rendant moins complexes les calculs sur la géométrie de l’espace. Grâce à cette méthode, les premières estimations de ces seuils d’énergie apparaissent au début des années 1980 (2), puis se poursuivent (3), donnant toujours plus de précision. Aujourd’hui, les physiciens prédisent que les glueballs les plus légères devraient se former aux alentours de 1.7 GeV/c² (4), tandis que les plus massives pourraient atteindre au moins 3 GeV/c² (1).

qcd gluons quarks reseaux

Exemple de QCD sur réseaux. Les gluons et les quarks sont respectivement modélisés par des segments et des sommets, simplifiant les calculs informatiques. Crédits : Japan Institute for Computational Fundamental Science

Ces seuils d’énergie sont accessibles dans les accélérateurs de particules actuels ; le LHC (CERN) pouvant par exemple développer une énergie de 14 TeV lors de collisions proton-proton.

Cependant, la dynamique des glueballs pose une réelle difficulté pour leur détection. En effet, celles-ci ont naturellement tendance à se mélanger avec des états mésoniques ordinaires, les rendant ainsi indiscernables des mésons environnants (un méson est une particule composée de quarks et d’antiquarks) (4).

Les glueballs : des agencements de gluons

Les glueballs peuvent s’agencer en deux, trois, quatre gluons ou plus. Théoriquement, il n’existe aucune limite à ce nombre. Toutefois, des contraintes sur la masse issues des calculs de QCD sur réseaux tendent à imposer une limite à la masse totale de l’ensemble, pour des raisons de stabilité. Pour simplifier les équations, les physiciens étudient généralement des configurations à deux et trois quarks.

Un tel choix n’est pas hasardeux. En effet, une configuration de deux gluons est semblable à un méson (composé de deux quarks), et une configuration de trois gluons est semblable à un baryon (composé de trois quarks). Les physiciens peuvent ainsi, dans une certaine mesure, transposer aux glueballs les développements mathématiques relatifs aux mésons et aux baryons.

Le nombre de gluons composant une glueball détermine le moment angulaire total de cette dernière. Le moment angulaire total, noté « J », est la combinaison du spin « S » et du moment angulaire orbital « L ». Il est en général noté J = S+L. Puisque les gluons sont des bosons, J est obligatoirement un entier. La connaissance de ce paramètre est importante car celui-ci détermine à son tour le type de glueball.

differentes configurations hadroniques

Illustration présentant les différentes configurations hadroniques. Les physiciens étudient les glueballs à deux ou trois gluons en se basant sur le modèle des mésons et des baryons. Crédits : physicsworld.com

Ainsi, pour une glueball composée de deux gluons, il existe J=0 (glueball scalaire) et J=2 (glueball tensorielle). Pour trois gluons, il existe J=1 et J=3 (glueball vectorielle). D’autres bosons possèdent des valeurs de J identiques ; par exemple J=2 pour le graviton et J=0 pour le boson de Higgs. Mais aucun ne possède une charge de couleur, il est donc facile de distinguer les glueballs des autres bosons.

Propriétés et caractéristiques physiques des glueballs

Les gluons étant électriquement nuls, les glueballs possèdent donc naturellement une charge électrique nulle. Leur charge de couleur globale est également nulle. En effet, la chromodynamique quantique interdisant l’existence de particules colorées nues, la somme des charges de couleur des quarks ou des gluons composant une particule devant être neutre (ou blanche), les glueballs n’y font pas exception.

La masse des glueballs dépend de deux nombres quantiques particuliers : la parité intrinsèque « P » (qui décrit le comportement de la particule sous une symétrie P) et la parité de charge « C » (qui décrit le comportement de la particule sous une symétrie C). Tandis que J ne peut prendre que des valeurs entières, C et P peuvent uniquement prendre les valeurs + et -.

Ainsi, selon les différentes combinaisons de valeurs de ces trois paramètres, il existe environ 15 états de masse allant de la glueball la plus légère, avec 1.7 GeV/c² (J=0, P=+, C=+) à la glueball la plus massive, avec 5 GeV/c² (J=0, P=+, C=-).

De par leur configuration et considérées isolément, les glueballs sont extrêmement instables, de la même manière que ses analogues, les mésons et les baryons. La QCD permet de calculer les durées de vie des glueballs selon les différents états de masse considérés. Toutes les glueballs ne possèdent donc pas la même durée de vie. En outre, le Modèle Standard prédit certains modes de désintégration des glueballs, c’est-à-dire les particules détectables résultant de leur désintégration.

Les physiciens savent ainsi que la désintégration d’une glueball n’émet pas de photons, mais des paires de kaons, de pions ou de mésons êta (5). Connaître ces canaux de désintégration est primordial car les glueballs étant elles-mêmes trop instables pour être directement observées, seuls les produits de leur désintégration peuvent renseigner les chercheurs sur leur possible existence.

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Diagramme de Feynmann de la désintégration d’une glueball (G) en deux pions (π). Crédits : Wikipédia

La détection des glueballs

Bien que la détection des glueballs au sein des accélérateurs de particules soit extrêmement complexe, la recherche de ces dernières, débutée dans les années 1990 (6), a permis d’identifier de nombreux candidats potentiels, dont la résonance répond aux critères établis par la QCD. Cependant, de longues analyses doivent encore être effectuées sur ces résultats, pour écarter les mélanges mésoniques et les biais statistiques.

Parmi ces candidats se trouve la particule composite f0(980) dont les propriétés correspondent à celles d’une glueball de faible masse (7). Il en va de même pour la particule X(3020) détectée par la collaboration BaBar, dont les propriétés correspondent à celle d’une glueball d’une masse d’environ 3.02 GeV/c², avec J=1 ou 2 (1).

D’autres particules composites comme f0(1500) et f0(1710) correspondraient également à des glueballs (7). Le collisionneur électron-positron (LEP), avec ses 209 GeV, aurait également potentiellement détecté des glueballs au sein de condensats de gluons (7).

Afin d’avoir une expérience totalement dédiée à la détection des glueballs, l’expérience GlueX a été lancée au Thomas Jefferson National Accelerator Facility en 2014. Pouvant développer une énergie de 12 GeV, GlueX est chargée d’analyser le spectre des mésons exotiques, telles que les glueballs, produits par l’excitation du champ gluonique. Les résultats de ces collisions, très attendus, devraient être en mesure de confirmer ou d’infirmer définitivement l’existence des boules de glu du Modèle Standard.

Sources : Arxiv.org (1, 3, 4, 5, 7), Sciencedirect.com (2), Slac.stanford.edu (6)

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