Le LHCb découvre quatre nouveaux tétraquarks

Parmi les interactions élémentaires décrites par le modèle standard des particules, l’interaction nucléaire forte est certainement la plus curieuse. C’est cette force qui est à l’origine de la cohésion des noyaux atomiques en liant les quarks via des gluons à l’intérieur des nucléons (et plus généralement des hadrons). Sa description quantique, appelée chromodynamique quantique (QCD), est à la fois passionnante et extrêmement complexe, laissant encore les physiciens dans le flou quant aux combinaisons possibles de quarks pouvant former des particules composites. La découverte de quatre nouvelles particules de ce type au LHC (LHCb) devrait permettre aux chercheurs d’en apprendre un peu plus sur la dynamique de l’interaction forte.

Le CERN vient d’annoncer la découverte de quatre nouvelles particules composites au Grand collisionneur de hadrons (LHC), à Genève. Cela signifie que le LHC a maintenant trouvé un total de 59 nouvelles particules, en plus du boson de Higgs (lauréat du prix Nobel) depuis qu’il a commencé ses collisions entre protons — des particules qui composent le noyau atomique avec les neutrons — en 2009.

L’objectif du LHC est d’explorer la structure de la matière aux distances les plus courtes et aux énergies les plus élevées jamais sondées en laboratoire, en testant notre meilleure théorie actuelle de la nature : le modèle standard des particules. Et le LHC a effectué un bon travail — il a permis aux scientifiques de découvrir le boson de Higgs, la dernière pièce manquante du modèle. Cela dit, la théorie est encore loin d’être pleinement comprise.

L’une de ses caractéristiques les plus curieuses est sa description de l’interaction forte (ou force forte) qui maintient le noyau atomique. Le noyau est composé de protons et de neutrons, qui sont à leur tour composés chacun de trois minuscules particules appelées quarks (classés en six saveurs). La théorie de l’interaction forte, appelée « chromodynamique quantique », est fondée sur des bases très solides. Elle décrit comment les quarks interagissent à travers la force forte en échangeant des particules appelées gluons.

L’étrange dynamique de l’interaction nucléaire forte

Cependant, la façon dont les gluons interagissent avec les quarks fait que la force forte se comporte très différemment de l’électromagnétisme. Alors que la force électromagnétique s’affaiblit lorsque deux particules chargées se séparent, la force forte devient en fait plus intense lorsque deux quarks s’éloignent.

En conséquence, les quarks sont enfermés à l’intérieur de particules appelées hadrons — des particules constituées de deux quarks ou plus — qui comprennent les protons et les neutrons ; un phénomène appelé « confinement de couleur ». Pour compliquer davantage les choses, toutes les particules du modèle standard ont des antiparticules qui sont presque identiques à elles-mêmes, mais avec une charge opposée. Si vous retirez un quark d’un proton, l’interaction forte sera finalement assez intense pour créer une paire quark-antiquark, le quark nouvellement créé entrant dans le proton.

Dans le bilan final, il reste donc un proton et un méson (particule composée d’une paire quark-antiquark). Un quark existe toujours au milieu d’autres quarks, même lorsqu’ils ne sont pas confinés (comme dans le plasma quark-gluon). L’un des obstacles de la QCD est qu’elle donne rapidement des calculs extrêmement complexes à résoudre ; ces équations sont si complexes que l’on ne peut toujours pas prédire aujourd’hui quelles combinaisons de quarks sont viables (et stables) ou non dans la nature.

Un phénomène de combinaison encore flou

Lorsque les quarks ont été découverts pour la première fois, les scientifiques ont réalisé que plusieurs combinaisons devraient être possibles en théorie. Cela comprenait des paires de quarks et d’antiquarks (mésons) ; trois quarks (baryons) ; trois antiquarks (antibaryons) ; deux quarks et deux antiquarks (tétraquarks) ; et quatre quarks et un antiquark (pentaquarks) — tant que le nombre de quarks moins les antiquarks dans chaque combinaison était un multiple de trois.

Pendant longtemps, seuls les baryons et les mésons ont été observés dans les expériences. Mais en 2003, l’expérience Belle au Japon a découvert une particule qui s’est avérée être la première d’une longue série de tétraquarks. En 2015, l’expérience LHCb au LHC a découvert deux pentaquarks. Les quatre nouvelles particules découvertes récemment sont toutes des tétraquarks avec une paire de quarks charm et deux autres quarks.

Tous ces objets sont des particules, au même titre que le proton et le neutron sont des particules. Mais ce ne sont pas des particules fondamentales : les quarks et les électrons sont les véritables éléments constitutifs de la matière.

Au total, le LHC a découvert 59 nouveaux hadrons. Ceux-ci incluent les tétraquarks les plus récemment découverts, mais aussi de nouveaux mésons et baryons. Toutes ces nouvelles particules contiennent des quarks lourds tels que « charm » et « bottom ».

Ces hadrons sont intéressants à étudier. Ils nous disent ce que la nature considère comme acceptable en tant que combinaison liée de quarks, même si ce n’est que pour des temps très courts. Ils nous disent aussi ce que la nature ne permet pas. Par exemple, pourquoi tous les tétra et pentaquarks contiennent-ils une paire de quarks charmés (à une seule exception près) ? Et pourquoi n’y a-t-il pas de particules correspondantes avec des paires de quarks étranges (strange) ? Il n’y a actuellement aucune explication.

Particules composites : comment leur cohésion est-elle assurée ?

Un autre mystère est de savoir comment ces particules sont liées entre elles par la force forte. Des théories les considèrent comme des objets compacts, comme le proton ou le neutron. D’autres prétendent qu’elles s’apparentent à des « molécules » formées par deux hadrons faiblement liés. Chaque hadron nouvellement trouvé permet à des expériences de mesurer sa masse et d’autres propriétés, qui nous révèlent des indices sur le comportement de l’interaction forte.

Cela permet de combler le fossé entre l’expérience et la théorie. Plus nous pouvons trouver de hadrons, mieux nous pouvons adapter les modèles aux faits expérimentaux. Ces modèles sont essentiels pour atteindre l’objectif ultime du LHC : trouver la physique au-delà du modèle standard. Malgré ses succès, le modèle standard n’est certainement pas la dernière étape dans la compréhension des particules.

Il est par exemple incompatible avec les modèles cosmologiques décrivant la formation de l’Univers. Le LHC recherche de nouvelles particules fondamentales qui pourraient expliquer ces écarts. Ces particules pourraient être visibles au LHC, mais cachées dans les interactions entre particules.

Sources : arXiv