Une étude confirme que le proton possède un quark charm intrinsèque

quark charm proton
Illustration représentant des quarks et des gluons à l'intérieur du proton. | CERN
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Alors que les physiciens débattent à ce sujet depuis près de quarante ans, une nouvelle analyse de données réalisée par la collaboration NNPDF révèle que le proton possède bel et bien une autre particule élémentaire appelée quark charm. La nature intrinsèque de ce quark pourrait avoir des implications importantes dans la recherche d’une nouvelle physique.

Toute la matière qui nous entoure est constituée d’atomes, qui eux-mêmes comportent des particules subatomiques : des protons et des neutrons composent le noyau, autour duquel gravitent des électrons. Selon le modèle standard de la physique des particules, le proton est une particule dite composite : des preuves expérimentales montrent qu’il est formé d’au moins trois particules (deux quarks up et un quark down), liées par des gluons. La théorie quantique prédit cependant que le proton peut contenir plusieurs autres paires quark-antiquark, y compris des quarks charm — qui sont plus massifs que le proton lui-même.

Les théoriciens pensent que ces quarks charm sont « intrinsèques » au proton, ce qui signifie qu’ils font partie du proton sur de longues échelles de temps et qu’ils ne sont pas le fruit d’interactions avec une particule extérieure. Aucune expérience n’a toutefois réussi à prouver l’existence de ce quark charm intrinsèque pour le moment. Grâce à l’analyse d’énormes quantités de données de collisions via des techniques d’apprentissage automatique, la collaboration NNPDF apporte enfin la preuve tant espérée.

Les données de plus de 500 000 collisions analysées

La collaboration NNPDF (pour neural network parton distribution function) effectue des recherches dans le domaine de la physique des hautes énergies. Son objectif est de déterminer la structure précise du proton (soit la distribution de ses constituants, les quarks et les gluons) en utilisant des méthodes d’intelligence artificielle. Cette connaissance est un élément crucial du programme de recherche du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN.

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Concrètement, le groupe a utilisé un modèle d’apprentissage automatique pour construire différentes structures hypothétiques de protons, avec différentes saveurs de quarks ; rappelons au passage que ces saveurs sont au nombre de six : up, down, top, bottom, strange et charm. Ils ont ensuite comparé ces différentes structures de protons aux résultats obtenus lors de plus de 500 000 collisions réelles, mises en oeuvre dans des accélérateurs de particules au cours des dix dernières années.

fonction distribution quark charm
Fonctions de distribution de partons du quark charm intrinsèque et comparaison avec les modèles. © NNPDF Collaboration

Ils ont ainsi découvert qu’une infime partie (0,5%) de la quantité de mouvement d’un proton est attribuable à un quark charm. Ce dernier est beaucoup plus lourd que les quarks up et down (quelque mille fois plus lourd qu’un quark up !). Cette découverte est due en particulier à une expérience du LHCb (Large Hadron Collider beauty) menée l’an dernier sur le boson Z, qui a mis en évidence la présence de quarks charm dans les protons. D’après ses calculs, l’équipe estime que dans le proton — dont la masse est légèrement inférieure à 1 GeV — des quarks charm et leur antiparticule, ayant une masse d’environ 1,5 GeV chacun, apparaissent parfois spontanément.

Un niveau de confiance encore trop faible

Ainsi, aussi incroyable que cela puisse paraître, le proton peut être composé d’une particule plus massive que lui-même ! « Cela va à l’encontre de tout bon sens. C’est comme si vous achetiez un paquet de sel d’un kilo, et qu’il en ressortait deux kilos de sable. Mais en mécanique quantique, une telle chose est tout à fait possible », explique Juan Rojo, physicien théoricien à l’Université libre d’Amsterdam et auteur principal de l’article décrivant la découverte.

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Les chercheurs affirment par ailleurs que si le proton ne possédait pas de paire de quarks charm-anticharm, il n’y aurait que 0,3% de chances d’obtenir les valeurs observées expérimentalement. Ceci confère à leurs résultats un niveau de confiance de 3 sigmas. « C’est ce que nous appelons un indice sérieux en physique des particules », souligne Rojo. Un niveau de 5 sigmas est toutefois nécessaire pour qu’un résultat soit considéré comme vraiment significatif. D’autres recherches devront donc être menées pour passer du statut de « preuve », au statut de « découverte ».

Dans les accélérateurs de particules, le mouvement des protons en collision fournit une telle quantité d’énergie que des quarks lourds et leur antiparticule peuvent parfois se former à partir de cette énergie — ces quarks « extrinsèques » ne sont pas fondamentaux pour l’identité du proton. En revanche, il s’agit ici de quarks qui apparaissent naturellement, de temps à autre, dans un proton non perturbé, donc à basse énergie.

Le phénomène est rare, mais peut s’avérer d’une grande importance pour les expériences menées au LHC. « Dans les expériences du CERN, nous créons des collisions entre protons et recherchons des anomalies subtiles qui pourraient indiquer de nouvelles particules ou forces. Cela n’est possible que si l’on comprend parfaitement leur nature », conclut le physicien.

Source : The NNPDF Collaboration, Nature

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