La collaboration LHCb (Large Hadron Collider beauty), dédiée à l’étude des quarks « beauty », vient d’annoncer la détection de nouveaux types d’hadrons exotiques jamais observés jusqu’ici : un pentaquark et une paire de tétraquarks (un tétraquark doublement chargé et son partenaire neutre). Ces nouvelles particules composites aideront les physiciens à mieux comprendre comment les quarks se lient entre eux.
Pour rappel, les quarks constituent l’une des deux familles de fermions élémentaires ; ils s’associent entre eux, via l’interaction forte, pour former des hadrons (tels que des protons ou des neutrons). Ils ne sont d’ailleurs observables que sous cette forme et ne peuvent être isolés. On distingue six quarks différents, chacun portant une charge électrique fractionnaire de la charge élémentaire, qui sont estampillés d’une « saveur » : up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) et bottom ou beauty (b).
Dans le modèle classique des quarks, les hadrons sont formés soit de paires quark-antiquark (mésons), soit de trois quarks (baryons). Les particules qui n’entrent pas dans l’une de ces catégories sont appelées des « hadrons exotiques ». Ces derniers ont été théorisés dès 1964, par Murray Gell-Mann et George Zweig, mais ce n’est que 50 ans plus tard que les physiciens ont obtenu les preuves expérimentales de leur existence. Les hadrons peuvent notamment se combiner en particules de quatre ou cinq quarks (que l’on appelle respectivement tétraquarks et pentaquarks).
Un « zoo de particules 2.0 »
Ces vingt dernières années, les expériences menées au LHC ont permis de révéler l’existence de plusieurs de ces hadrons exotiques, la plupart étant des tétraquarks ou des pentaquarks composés d’un quark charm et d’un antiquark charm, les deux ou trois quarks restants pouvant être un quark up, down ou strange, ou leur antiquark.
Plus récemment, la collaboration LHCb a mis en évidence d’autres types de particules, notamment deux tétraquarks « à charme apparent » découverts en 2020 — une particule est dite « à charme apparent » lorsqu’elle contient un quark c sans antiquark équivalent. Le premier spécimen de tétraquark « à double charme apparent » a été découvert l’an dernier : il se composait de deux quarks c et deux antiquarks (u et d). « Plus nous effectuons d’analyses, plus nous trouvons de types d’hadrons exotiques. […] Nous sommes en train de créer un « zoo de particules 2.0 » », explique Niels Tuning, coordinateur de la physique de LHCb.
Deux nouveaux types d’hadrons exotiques s’ajoutent aujourd’hui à la liste. Le premier se compose d’un quark c et d’un antiquark c, et d’un quark u, d’un quark d et d’un quark s — il s’agit du tout premier pentaquark contenant un quark s. Cette particule a été observée lors de l’analyse de désintégrations de mésons B (des mésons composés d’un antiquark b et d’un quark u, d, c ou s) chargés négativement.
L’équipe souligne que le résultat a une signification statistique de 15 écarts-types — ce qui est exceptionnel en physique des particules, où l’on considère un résultat comme significatif dès l’obtention de 5 écarts-types, ce qui représente une probabilité d’erreur inférieure à 0,00006% (un écart-type représentant l’écart entre la valeur observée et la moyenne attendue en l’absence d’événement).
Le second hadron nouvellement observé est un tétraquark doublement chargé ; il se compose d’un quark c, d’un antiquark s, d’un quark u et d’un antiquark d. Il a été observé avec son homologue neutre lors de l’analyse des désintégrations de mésons B chargés positivement et de mésons B neutres. Ces particules ont été observées avec une signification statistique de 6,5 écarts-types et de 8 écarts-types respectivement.
Des modèles théoriques encore incertains
Malgré les progrès réalisés ces dernières années en matière de détection, les hadrons restent des particules mystérieuses, que les physiciens tentent de percer à jour à travers les expériences de collisions. L’expérience LHCb, en particulier, vise à explorer les légères différences qui existent entre matière et antimatière grâce à l’étude des quarks beauty. L’objectif ultime étant de comprendre comment et pourquoi la matière a pris le dessus sur l’antimatière à l’aube de l’Univers — alors qu’elles ont en théorie toutes deux été créées en quantités égales au départ. Ces recherches visent également à percer le mystère de la matière noire.
Mieux comprendre les hadrons est essentiel pour atteindre cet objectif, c’est pourquoi la découverte de ces nouvelles particules constitue un nouveau pas en avant. « Trouver de nouveaux types de tétraquarks et de pentaquarks, et mesurer leurs propriétés, aidera les théoriciens à élaborer un modèle unifié des hadrons exotiques, même si la nature exacte de ce modèle est largement inconnue », explique Chris Parkes, porte-parole de LHCb.
En effet, certains modèles théoriques décrivent les hadrons exotiques comme des unités isolées, constituées de quarks étroitement liés. Mais d’autres modèles les présentent comme des paires d’hadrons standards, faiblement liés — un peu à la manière dont les atomes s’assemblent pour former des molécules. D’autres expérimentations seront nécessaires pour déterminer quel(s) modèle(s) doit(doivent) être retenu(s). À ce jour, 66 hadrons ont été découverts au LHC, dont 59 par l’expérience LHCb.
D’autres découvertes sont sans doute à venir au cours de la troisième campagne de collecte et d’analyse de données qui vient de commencer. Hier, le 5 juillet, l’équipe du CERN a en effet obtenu des résultats sans précédent : les améliorations récemment apportées au collisionneur lui ont permis d’atteindre l’énergie record de collision proton-proton de 13,6 TeV. « Cela ouvre une nouvelle ère d’exploration au CERN », a déclaré Fabiola Gianotti, directrice générale du CERN.
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