Une sorte de particule exotique, si mystérieuse qu’elle était soupçonnée d’être physiquement impossible, a finalement été identifiée par les physiciens. Et non seulement une fois, mais deux fois, par des équipes distinctes.

Deux nouvelles prédictions théoriques d’une forme de la matière, appelée tétraquark, fournissent la preuve la plus importante que ces particules mystérieuses existent réellement, ouvrant une nouvelle ère de compréhension dans le domaine subatomique. « Nous pensons que ce n’est pas simplement académique », a déclaré l’un des chercheurs impliqués, le physicien théoricien Chris Quigg du Fermi National Accelerator Laboratory. « La découverte pourrait bien arriver », a ajouté le chercheur.

Il faut savoir qu’en dessous du niveau de l’atome, se trouvent les particules subatomiques, comprenant les protons et les neutrons (hadrons), eux-mêmes composés de particules élémentaires appelées quarks.

L’idée des quarks a été proposée pour la première fois dans les années 1960 et depuis, les physiciens étudient comment ces particules mystérieuses, qui n’ont pas de sous-structure plus petite (à notre connaissance), s’organisent pour composer les blocs de matière que nous pouvons toucher et sentir.

À présent, deux équipes distinctes de scientifiques pensent avoir des preuves théoriques solides d’un nouvel arrangement appelé tétraquark : une configuration stable composée de quatre particules de quarks.

Ce n’est pas la première fois que les chercheurs se concentrent sur ce qu’ils pensent être des tétraquarks. Durant ce siècle, un certain nombre de candidats tétraquarks ont été suggérés, bien que les résultats aient été essentiellement théoriques, avec des confirmations uniquement observationnelles. L’année dernière, l’équipe du Laboratoire Fermi a annoncé la découverte d’une particule cohérente avec un tétraquark.

De plus, les chercheurs du LHCb (Large Hadron Collider beauty) ont découvert des particules qui pourraient constituer une toute nouvelle famille de tétraquarks. Mais encore une fois, la confirmation n’a pas été simple, car le domaine de la recherche reste extrêmement exotique : « Dans le cas des tétraquarks, les gens peuvent toujours proposer des explications alternatives », a déclaré Quigg.

Les quarks eux-mêmes possèdent six types différents, appelés saveurs, qui sont : d (down – bas), u (up – haut), s (strange – étrange), c (charm – charme), b (bottom – dessous) et t (top – dessus), déterminés par des attributs tels que leur charge électrique, leur masse et leur spin.

En dehors des tétraquarks (et des pentaquarks hypothétiquement similaires), la théorie suggère que deux ou trois quarks peuvent se rejoindre pour créer une particule composite (des paires quark-antiquark ou des ensembles de trois quarks), mais pas plus.

Pourtant, dans une nouvelle recherche menée par Quigg, Estia Eichten (un autre physicien du Laboratoire Fermi), une équipe distincte de l’Université israélienne de Tel Aviv et de l’Université de Chicago, les chercheurs ont démontré qu’il est finalement possible d’avoir une particule stable composée de quatre quarks, soit un tétraquark.

C’est à travers différentes explications théoriques que les deux équipes prédisent que les tétraquarks peuvent s’assembler à partir de : deux quarks bottom, un antiquark up et un antiquark down, les antiquarks étant comme des jumeaux des quarks normaux, mais avec une polarité électrique opposée. Bien que les méthodes utilisées diffèrent, l’un des chercheurs, Marek Karliner de l’Université de Tel Aviv, souligne que les conclusions des deux équipes sont « fondamentalement identiques sur le plan qualitatif ».

Dans la communauté physique, certains interprètent cette concordance comme un signe positif, car cela pourrait signifier que nous avons finalement réussi à identifier les tétraquarks. Un résultat pour le moins étonnant, puisque, comme l’a expliqué Karliner : « durant de nombreuses années nous pensions que le tétraquark était impossible ».

Mais les recherches ne s’arrêtent pas là ! Maintenant que nous avons ce qu’il semble être la preuve théorique la plus solide que les tétraquarks existent bel et bien, il reste encore à le démontrer par l’observation. Cela peut être rendu possible grâce au Large Hadron Collider du CERN, ou tout autre accélérateur de particules expérimental.

Actuellement, nous ne savons pas encore quand est-ce qu’une telle preuve expérimentale verra le jour, mais Quigg reste confiant : « Les choses dont nous parlons sont si étranges qu’il ne pourrait pas s’agir de quelque chose d’autre. Ce n’est qu’une question de recherche », a-t-il conclu.

Sources : Physical Review Letters (1)Physical Review Letters (2), LiveScience

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