La mystérieuse particule X pointe le bout de son nez

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Découverte en 2003 par l’expérience japonaise Belle, il s’agirait de la particule apparue quelques millionièmes de seconde après le Big Bang, et enfin détectée par le CERN au sein d’un plasma quarks-gluons, proche de la soupe primordiale à l’origine de l’Univers. Et ce n’est « que le début de l’histoire », a déclaré Yen-Jie Lee, auteur principal de l’étude et professeur de physique au MIT.

Tous les éléments de la nature puisent leur origine dans des réactions thermonucléaires, c’est-à-dire dans des milieux denses et à des températures intenses, conditions rencontrées lors du Big Bang et dans les étoiles. Le défi est de comprendre l’origine des éléments connus.

Particule X : clé de la compréhension de l’origine de l’Univers ?

Quelques millionièmes de seconde après le Big Bang, juste avant que la soupe de matière, composée des particules élémentaires (quarks et gluons) ne refroidisse au bout de trois secondes, tout l’univers subissait un mouvement intense. Une fraction des particules élémentaires est ensuite entrée en collision de façon aléatoire, provoquant l’apparition d’une particule nommée « particule X », très brièvement. Puis, en refroidissant, quarks et gluons ont donné lieu à des particules plus stables, les neutrons et les protons, dont est constituée la matière ordinaire que nous côtoyons tous les jours.

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C’est dans les accélérateurs de particules, notamment le Grand Collisionneur de Hardons (LHC) du CERN à la frontière franco-suisse, que les chercheurs tentent de recréer les conditions du Big Bang, le plasma quarks-gluons, généré par la collision d’ions massifs de plomb que l’on fait circuler dans l’accélérateur. Le LHC est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde, avec un anneau de 27 km de circonférence.

Dans ces collisions d’ions lourds, les centaines de protons et de neutrons présents dans les noyaux en collision se percutent à une vitesse proche de celle de la lumière et à très haute énergie. En effet, les particules reçoivent une impulsion électrique à chaque tour, et après un certain nombre de tours, elles sont suffisamment énergétiques pour que la collision permette la formation de matière. Une minuscule « boule de feu » se forme alors, dans laquelle tout « fond » pour former des éclairs de plasma de quarks et de gluons. C’est ce que l’on appelle la coalescence des quarks. Ensuite, les chercheurs étudient la répartition et l’énergie des débris de collision.

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Le Grand Collisionneur de Hardons (LHC). © CERN

Un signal parmi 13 millions de collisions

Les données générées par ces 13 millions de collisions sont extrêmement nombreuses : des dizaines de milliers de particules chargées ont dû être analysées pour tenter d’identifier la particule X (3872), nommée ainsi par ce chiffre en référence à sa masse estimée. Ce défi a réuni plus de 200 instituts de recherche constituant l’expérience CMS, du nom du détecteur Compact Muon Solenoid (en français « solénoïde compact à muons »), qui a enregistré les données.

La détection du signal de la particule X a été réalisée grâce à des techniques d’apprentissage automatique, ou machine learning. Les chercheurs ont mis au point un algorithme pour trouver les caractéristiques de la particule X, et notamment la façon particulière dont elle se désintègre en particules plus petites.

Après plusieurs « rodages » de l’algorithme (les scientifiques l’ont entrainé à repérer le signal au sein d’un bruit de fond important), ils ont pu l’appliquer aux données du LHC, en réduisant au maximum le bruit de fond des autres particules (un peu comme si nous zoomions sur un détail précis). Les résultats avaient dépassé leur espérance : c’est environ 100 signaux qui ont été détectés !

Une structure inédite

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« Nous avons montré que nous pouvions trouver un signal précis », a déclaré Lee, « dans les prochaines années, nous voulons utiliser le plasma quark-gluon pour sonder la structure interne de la particule X, ce qui pourrait changer notre vision du type de matière que l’univers devrait produire ».

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Structure des particules de la matière. © Laurie Henry pour Trust My Science

Les neutrons et les protons qui constituent les éléments premiers des atomes sont formés de trois particules de quarks. Avant la découverte de la particule X en 2003, personne n’imaginait qu’il puisse exister une autre structure. Or, la particule X pourrait être un assemblage de quatre quarks, un tétraquark, voire un nouveau type de particule faiblement liée et constituée de deux mésons, chacun contenant deux quarks. « Actuellement, nos données sont compatibles avec les deux théories », explique Lee.

Notre univers garde encore ses secrets, même si les découvertes d’éléments nouveaux s’accumulent, comme avec le baryon en 2018. Les années à venir vont probablement nous permettre de dévoiler une part des mystères de nos origines.

Source : Physical Review Letters

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