Depuis sa formulation en 1970 jusqu’à aujourd’hui, le Modèle Standard ne cesse de voir ses prédictions vérifiées. Encore récemment, le CERN a annoncé la détection d’un nouveau baryon aux caractéristiques surprenantes au LHCb (1) : le baryon Ξcc++, composé de deux quarks CHARM et d’un quark UP.

Un baryon prévu par le Modèle Standard

Introduit en 1960 sur la base des données expérimentales issues du SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) puis complété en 1970 avec l’ajout de trois autres quarks, le modèle des quarks contient aujourd’hui six différents types (ou saveurs) de quarks : haut (UP), bas (DOWN), étrange (STRANGE), charme (CHARM), dessous (BOTTOM) et dessus (TOP). À ces six quarks sont associés six antiquarks.

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Tableau représentant les six différentes saveurs de quarks, réparties en trois générations dans le Modèle Standard. Crédits : Sciences Claires

Les quarks peuvent s’associer pour former des hadrons, c’est-à-dire des particules composites composées de quarks. Plus particulièrement, lorsqu’un hadron est constitué de trois quarks, c’est un baryon ; les baryons les plus connus étant les protons et les neutrons. De très nombreuses combinaisons sont ainsi autorisées par le Modèle Standard.

C’est pourquoi de nouveaux hadrons sont relativement fréquemment mis en évidence par le LHC. Le baryon Ξcc++ découvert récemment ne fait pas exception et constitue bien une prédiction de la chromodynamique quantique (le modèle décrivant l’interaction forte et incluant le modèle des quarks).

Pouvant déployer une énergie de 13 TeV (téra-électron-volt) lors de ses collisions protons-protons, le LHC est un formidable laboratoire pour éprouver les prédictions du Modèle Standard. À ce titre, il permet d’étudier plus précisément la dynamique des interactions fondamentales comme l’interaction électrofaible (unification de l’électromagnétisme et de l’interaction faible) et la chromodynamique quantique.

Concernant cette nouvelle découverte, Giovanni Passaleva, le porte-parole de la collaboration, affirme que « la découverte d’un baryon composé de deux quarks lourds représente un grand intérêt car cela nous fournit un outil unique pour étudier plus profondément la chromodynamique quantique, la théorie qui décrit l’interaction forte, une des quatre interactions fondamentales. Une telle particule nous permettra d’améliorer les prédictions faites par nos théories ».

Un baryon aux caractéristiques « hors normes »

Le baryon Ξcc++ est composé de trois quarks : deux quarks « CHARM » et un quark « UP ». Le quark UP est un quark léger puisque sa masse est comprise entre 1.7 et 3.3 MeV/c². En revanche, le quark CHARM est, quant à lui, un quark plus lourd, sa masse étant égale à 1.3 GeV/c². Cela signifie qu’un quark CHARM possède à lui seul une masse supérieure à celle du proton (938 MeV/c²).

Au regard de sa composition, le baryon Ξcc++ est donc environ 4 fois plus massif que le proton avec une masse de 3.621 GeV/c². En outre, ces trois quarks possèdent une charge électrique égale à 2/3 e, soit deux-tiers de la charge élémentaire de l’électron ; ce nouveau baryon possède ainsi le double de la charge du proton (le proton possède une charge opposée à celle de l’électron, soit +e).

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Illustration du baryon Ξcc++ composé de deux quarks CHARM et d’un quark UP liés
entre eux par des flux de gluons. Crédits : CERN

Ce sont ces caractéristiques physiques qui lui ont donné sa dénomination. En effet, le « cc » fait référence aux deux quarks CHARM ; le quark CHARM étant désigné par « c » dans la nomenclature standard. Et le « ++ » fait référence à cette charge égale à deux fois celle de l’électron.

Le baryon Ξcc++ possède également une dynamique interne originale. En effet, au sein de la plupart des baryons, les quarks sont en mouvement les uns par rapport aux autres en formant un système dynamique de trois quarks équilibrés. En revanche, dans ce nouveau baryon, les deux quarks CHARM forment un système binaire et le quark UP interagit avec ce système.

À ce sujet, Guy Wilkinson, l’ancien porte-parole de la collaboration scientifique, précise que « contrairement aux autres baryons dans lesquels les trois quarks exécutent une danse élaborée les uns autour des autres, le baryon Ξcc++ se comporte comme un système planétaire dans lequel les deux quarks massifs jouent le rôle d’un système stellaire binaire autour duquel orbite le quark plus léger ».

La détection du baryon Ξcc++

Le Modèle Standard prévoit spécifiquement deux baryons contenant chacun deux quarks CHARM : les baryons Ξcc+ et Ξcc++. Leur masse est supposée être comprise entre 3.5 GeV/c² et 3.7 GeV/c². Tandis que le baryon Ξcc+ possède une durée de vie située entre 50 et 250 fs (femtosecondes), le baryon Ξcc++ possède , lui, une durée de vie située entre 200 et 700 fs, le rendant donc plus facile à détecter que son analogue. Cependant, c’est le baryon Ξcc+ qui est le premier à être détecté en 2002 par la collaboration SELEX (2), avec une masse de 3.519 GeV/c².

Le baryon Ξcc++, comme le baryon Ξcc+, n’a pas été détecté directement par le LHCb. Comme beaucoup de particules, le baryon Ξcc++ se désintègre après son émission. Il se désintègre en d’autres particules appelées des « produits de désintégration », et les différentes façons dont il se désintègre sont appelées « canaux de désintégration ». C’est en analysant ces produits de désintégration que les scientifiques ont m identifié le baryon Ξcc++.

En effet, lorsque ce dernier se désintègre, son énergie est répartie dans chacun de ses produits de désintégration ; les physiciens ont ensuite sommé l’énergie de chacun d’eux et ont trouvé un total égal à l’énergie présumée du baryon Ξcc++. Cependant, la masse du baryon Ξcc++ donnée par les physiciens n’est qu’une estimation, car sa détermination est soumise à de nombreuses incertitudes d’ordre quantique (principe d’Heisenberg), d’ordre instrumental (biais de correction, calibration) et d’ordre théorique (durée de vie imprécise, correspondance incertaine avec le modèle prédictif).

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Distribution des masses du baryon lambda Λc+, du kaon K+ et des deux pions π+, les produits de désintégration du baryon Ξcc++. Le pic à 3621 MeV/c² correspondant au baryon Ξcc++ est visible. Crédits : CERN / LHCb

Pour cette observation, les scientifiques ont étudié un canal de désintégration particulier du baryon Ξcc++. Celui-ci s’est désintégré en quatre particules bien identifiées : un baryon lambda Λc+ (2.28 GeV/c²), un kaon K+ (493.7 MeV/c²) et deux pions π+ (2 x 139.57 MeV/c²).

Pour ce faire, les chercheurs ont combiné les données issues de collisions réalisées en 2012 à 8 TeV et en 2016 à 13 TeV. La détection bénéficie d’un degré de fidélité de 12 σ, ce qui en fait une véritable observation irréfutable ; pour rappel, en physique des particules, le degré de fidélité requis pour parler de découverte est de 5 σ.

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Diagramme de Feynmann montrant la désintégration du baryon Ξcc++ en Λc+, K+, π+ et π+. Dans le diagramme, « W+ » indique le boson W de l’interaction faible, la désintégration du baryon Ξcc++ fait donc intervenir l’interaction faible. Crédits : CERN/LHCb

Mesurer les propriétés de cette particule aidera à établir comment un système de deux quarks lourds et un quark léger se comporte. L’équipe de recherche du CERN a soumis l’article rapportant ces résultats (ci-dessous) à la revue Physical Review Letters.

Sources : CERN, arXiv.org

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