Le LHC découvre un nouveau tétraquark

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| CERN

Depuis sa mise en service, le LHC a permis de confirmer de très nombreuses prédictions du Modèle Standard, confortant ainsi la fiabilité et la puissance de ce modèle physico-mathématique décrivant les particules et leurs interactions. Mais le LHC ne fait pas que lancer des hadrons les uns contre les autres ; il en produit aussi. Et de ces collisions proton-proton est récemment apparu un hadron exotique composé de quatre quarks ; un tétraquark différent de ses prédécesseurs, car il pourrait être le premier véritable quadruplet à être détecté.

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC), basé près de Genève, en Suisse, est connu pour avoir démontré l’existence du boson de Higgs en 2012, une découverte qui a mis en place la clé de voûte de la classification actuelle des particules élémentaires. Mais le LHC a également capturé des dizaines de particules non élémentaires appelées hadrons — celles qui, comme les protons et les neutrons, sont constituées de quarks.

Le dernier hadron a été annoncé lors de la réunion virtuelle de la Société européenne de physique le 29 juillet, lorsque le physicien des particules Ivan Polyakov de l’Université de Syracuse à New York a dévoilé un hadron exotique jusqu’alors inconnu composé de quatre quarks. Cela a porté le nombre de hadrons découverts au LHC à 62 selon un décompte tenu par Patrick Koppenburg, physicien des particules au Nikhef, l’Institut national néerlandais de physique subatomique à Amsterdam. « Ce sont toutes des premières mondiales », déclare Koppenburg.

Le LHC : une machine à créer des hadrons

Le cadre descriptif des particules, appelé modèle standard, décrit les éléments de base de la matière et les forces fondamentales qui agissent sur eux. Il comprend six saveurs de quark, leurs six homologues d’antimatière et plusieurs autres particules élémentaires, dont les électrons et les photons. Le modèle standard comprend également des règles sur la façon dont les quarks forment des particules composites appelées hadrons.

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Les quarks sont maintenus ensemble par la force nucléaire forte, l’une des quatre forces fondamentales. Les deux quarks les plus courants dans la nature sont appelés « up » et « down » ; leurs combinaisons possibles incluent des neutrons (un up et deux down) et des protons (deux up et un down). Les protons sont les seuls hadrons connus pour être stables isolément — les neutrons ne sont stables que lorsqu’ils sont incorporés dans les noyaux atomiques. Tous les autres hadrons ne se forment que de manière éphémère, à partir de la collision d’autres particules, et se désintègrent en une fraction de seconde. Le LHC crée donc de nouveaux types de hadrons en provoquant des collisions frontales à haute énergie entre des protons.

Tétraquarks : des hadrons à la structure inhabituelle

La plupart des nouveaux types de hadrons du LHC ont été repérés par le LHCb, l’un des quatre détecteurs géants du tunnel circulaire de 27 kilomètres qui abrite le LHC, et la particule annoncée par Polyakov ne fait pas exception. En passant au crible les données sur les produits des collisions de protons, Polyakov et sa collaboratrice Vanya Belyaev de l’Institut de physique théorique et expérimentale de Moscou, ont trouvé la signature attendue d’un « tétraquark » – un hadron à quatre quarks – appelé Tcc+.

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Graphique indiquant l’évolution du nombre de tétraquarks et pentaquarks découverts au LHC. © Nature

Les tétraquarks sont extrêmement inhabituels : la plupart des hadrons connus sont constitués de deux ou trois quarks. Le premier tétraquark a été repéré à la High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) à Tsukuba, au Japon, en 2003, et le LHCb en a vu plusieurs autres. Mais le nouveau est vraiment étrange. Les tétraquarks précédents étaient probablement des paires de doublets de quarks ordinaires attachés les uns aux autres comme des atomes dans une molécule, mais le physicien-théoricien Marek Karliner pense que le dernier pourrait être un véritable quadruplet étroitement lié.

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« C’est le premier du genre », explique Karliner, qui est à l’Université de Tel-Aviv en Israël et qui a contribué à prédire l’existence d’une particule ayant les mêmes propriétés que Tcc+ en 2017. Dans la nature, les tétraquarks n’existaient probablement que pendant les premiers instants de l’Univers, lorsque toute la matière était comprimée dans un espace extrêmement restreint, explique Belyaev. Mais les créer à nouveau aide les physiciens à tester leurs théories sur la façon dont les particules interagissent à travers la force nucléaire forte.

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Les données ont révélé les propriétés de la nouvelle particule si précisément que Belyaev a été stupéfait. « Ma première réaction a été : c’est une erreur ». Par exemple, la masse de la particule, qui est environ 4 fois celle d’un proton, a été fixée avec une marge d’erreur près de 3000 fois meilleure que lors de la découverte du boson de Higgs. Belyaev ajoute que Tcc+ aurait pu être découvert dans les données des premières années du LHC, mais lui et ses collègues du LHCb ne l’ont pas trouvé jusqu’à présent, car ils avaient une longue liste d’autres particules à rechercher.

Des possibilités quasi illimitées

La recherche de nouveaux hadrons se poursuivra. Des dizaines de combinaisons de quarks peuvent donner naissance à des hadrons. Karliner dit qu’il y a 50 hadrons à 2 quarks possibles, dont tous sauf un ont été observés, et 75 triplets de quarks possibles (et autant de triplets d’antiquarks), dont près de 50 ont été observés. « Nous sommes certains que tous les autres existent, mais ils sont difficiles à fabriquer ».

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De plus, pour chaque combinaison de quarks, il existe un nombre presque illimité d’états excités plus lourds, et chacun est classé comme une particule distincte. Beaucoup ont été trouvés expérimentalement, et en fait la majorité des particules du catalogue de Koppenburg sont des états excités.

Sources : Physical Review Letters

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