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Tout ce qui nous entoure est constitué de particules élémentaires appelées quarks et leptons, qui peuvent se combiner pour former des particules plus grosses telles que des protons et des atomes. La matière est composée ainsi. Ces particules subatomiques peuvent se combiner de manière inhabituelle, dont une que nous n’avions jamais repérée jusqu’à il y a peu.

Aujourd’hui, la collaboration du CERN avec le LHCb a annoncé la découverte d’une nouvelle particule contenant cinq quarks, confirmant ainsi le nouveau type de particule précédemment découvert au LHC (2015), le “pentaquark”.

La particule, nommée Pc(4312)+, se désintègre en un proton et une particule J/ψ (composée d’un quark charm et d’un quark anticharm). Les résultats pourront aider à révéler de nombreux mystères de la théorie des quarks, élément clé du modèle standard de la physique des particules.

Les quarks ont d’abord été proposés pour expliquer le flot désordonné de nouvelles particules découvertes dans les expériences sur les rayons cosmiques et les collisionneurs, au milieu du XXe siècle. Ce “zoo” grandissant de particules apparemment fondamentales a semé la consternation parmi les physiciens.

Dans les années 1960, le physicien américain Murray Gell-Mann a observé parmi ces particules, des schémas similaires à ceux relevés par Dimitri Mendeleïev lorsqu’il a dressé le tableau périodique des éléments chimiques.

Tout comme le tableau périodique impliquait l’existence d’éléments plus petits que les atomes, la théorie de Gell-Mann suggérait l’existence d’une nouvelle classe de particules fondamentales. Les physiciens des particules ont finalement pu expliquer que les centaines de particules contenues dans ce “zoo” étaient composées d’un nombre beaucoup plus réduit de particules véritablement fondamentales, appelées quarks.

Il existe six types de quarks dans le modèle standard : down et up (bas et haut), strange et charm, puis beauty (anciennement « bottom ») et truth (anciennement « top »). Ces derniers ont également des compagnons « antimatière » — on pense que chaque particule a une version antimatière qui est pratiquement identique à elle-même, mais qui possède une charge opposée. Les quarks et les antiquarks sont liés pour former des particules appelées hadrons.

Selon le modèle de Gell-Mann, il existe deux grandes classes de hadrons. Les baryons : constitués de particules composées de trois quarks (qui comprennent les protons et les neutrons constituant le noyau de l’atome). Et les mésons : constitués de particules composées de paires de quarks-antiquarks.

Jusqu’à récemment, les baryons et les mésons étaient les seuls types de hadrons observés lors des expériences. Cependant, dans les années 1960, Gell-Mann a également évoqué la possibilité de combinaisons de quarks plus exotiques, tels que les tétraquarks (deux quarks et deux antiquarks) et les pentaquarks (quatre quarks et un antiquark).

En 2014, le LHCb, qui dirige l’une des quatre expériences géantes du Grand collisionneur de hadrons du CERN, a publié un résultat montrant que la particule nommée Z(4430)+ était un tétraquark. Cela a déclenché une vague d’intérêt pour les nouveaux hadrons exotiques. Puis, en 2015, le LHCb a annoncé la découverte du tout premier pentaquark, ajoutant une toute nouvelle classe de particules à la famille des hadrons.

Enfin, les résultats présentés aujourd’hui étendent cette première découverte du pentaquark grâce à la récente détection de nouveaux pentaquarks. Cela a été possible grâce à un grand nombre de nouvelles données enregistrées lors de la deuxième exécution du LHC.

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Illustration de la disposition possible des quarks dans une particule pentaquark telle que celle découverte au LHCb. Les cinq quarks peuvent être liés ou assemblés différemment que sur cet exemple. Crédits : CERN

Liming Zhang, professeur associé à l’Université Tsinghua de Pékin, et l’un des physiciens ayant effectué la mesure, a déclaré : « Nous avons maintenant dix fois plus de données qu’en 2015, ce qui nous permet de voir des structures plus intéressantes et plus fines qu’auparavant ».

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Lorsque Liming et ses collègues ont examiné le premier pentaquark (celui découvert en 2015), ils ont été surpris de constater qu’il s’était scindé en deux. Le pentaquark d’origine était en réalité composé de deux particules de pentaquark distinctes, ayant des masses si semblables qu’elles donnaient l’illusion d’une seule particule.

Comme si deux pentaquark pour le prix d’un n’était pas assez excitant, le LHCb a également permis de détecter un troisième pentaquark, avec une masse légèrement inférieure à celle des deux autres. Les trois pentaquarks sont composés d’un quark down, de deux quarks up, d’un quark charm et d’un antiquark charm.

Mais alors, quelle est la structure interne exacte de ces pentaquarks ? Une option est qu’ils soient en réalité constitués de cinq quarks, tous mélangés de manière homogène dans un même hadron. Une autre possibilité est que les pentaquarks soient en fait un baryon et un méson collés ensemble pour former une molécule faiblement liée, de la même façon que les protons et les neutrons se lient dans le noyau atomique.

Tomasz Skwarnicki, professeur de physique à l’Université de Syracuse à New York, qui a également travaillé sur la mesure, a expliqué que le nouvel état compagnon « se trouve à une masse qui offre des indices sur la structure interne des pentaquarks ».

« L’option la plus probable est que ces pentaquarks soient des molécules baryon-méson », a-t-il ajouté. Pour en être totalement certains, les physiciens auront besoin de plus de données expérimentales, ainsi que de nouvelles études faites par des théoriciens, ce qui signifie que de nombreuses questions concernant ces pentaquarks doivent encore trouver réponse ou émerger.

Ces résultats complètent une semaine d’annonces passionnantes en provenance du LHCb, dont la découverte d’un nouveau type d’asymétrie matière-antimatière. Mais toutes ces mesures et découvertes exaltantes nous prouvent qu’il reste encore beaucoup à apprendre sur les particules et les particularités du modèle standard.

D’ailleurs, nous avons probablement de meilleures chances de trouver des réponses aux grandes questions de la physique fondamentale du XXIe siècle avec des études plus détaillées portant sur les particules que nous connaissons déjà, plutôt qu’avec la découverte de nouvelles — ce qui a plutôt tendance à amener de nouvelles questions. Quoi qu’il en soit, nous avons encore beaucoup à découvrir, et que ce soient des réponses ou des questions, on ne peut que se réjouir d’en voir arriver d’autres.

Source : CERN

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