Des scientifiques du LHC au CERN confirment la découverte de deux nouvelles particules (voire peut-être trois !)

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est de nouveau complètement opérationnel, et nous annonce de nouvelles merveilles issues de notre monde, ou plus particulièrement de celui de la physique des particules. Les scientifiques travaillant sur la collaboration LHCb (Large Hadron Collider Beauty) ont observé deux nouvelles particules jamais vues auparavant. Ils auraient également constaté la présence d’une troisième particule.

Les deux nouvelles particules, prévues par le modèle standard des quarks, sont des baryons. Il s’agit de la même famille de particules que les protons, utilisés dans les expériences d’accélération de particules du LHC.

Les baryons constituent la majeure partie de l’Univers, y compris les protons et les neutrons. Ils appartiennent à la famille des hadrons et sont composés de trois quarks. Leur spin demi-entier les classe dans la catégorie des fermions. Les baryons peuvent contenir 5 « saveurs » de quarks différentes : des quarks u (up), d (down), s (strange), c (charm) et b (bottom).

Par exemple, les protons se composent de deux quarks up et d’un quark down, tandis que les neutrons consistent en un quark up et deux quarks down.

Mais les deux nouvelles particules découvertes ont une composition légèrement différente, et elles ont été nommées respectivement Σb(6097)⁺ et Σb(6097)^–. Σb(6097)⁺ se compose de deux quarks up et d’un quark bottom, tandis que Σb(6097)^– est constituée de deux quarks down et d’un quark bottom.

Ces particules sont des baryons bottom et sont associées à quatre particules précédemment observées au Fermilab. Cependant, les nouvelles observations marquent la première fois que les scientifiques détectent ces homologues de masse supérieure : ils sont environ six fois plus massifs qu’un proton.

Des changements évolutifs au sein du collisionneur permettent de nouvelles prouesses

Parmi les mises à jour de la « nouvelle version » du LHC depuis 2013-2015, en voici quelques-unes.

Des jonctions électriques renforcées

Plus de 10’000 jonctions électriques reliant les dipôles du LHC ont été équipées de shunts – de petits dispositifs métalliques par lesquels une partie du courant (11’000 ampères) peut transiter en cas de défaillance d’une interconnexion.

Des aimants plus sûrs

Les aimants supraconducteurs du LHC bénéficient d’un système amélioré de protection contre les transitions résistives. Les aimants supraconducteurs conduisent l’électricité sans perte d’énergie due à une résistance, ce qui leur permet d’atteindre des champs magnétiques plus élevés. Lors d’une transition résistive, un aimant redevient résistif, libérant ainsi une grande quantité d’énergie. Le système de protection contre les transitions résistives utilisé dans le LHC permet de dissiper cette énergie d’une manière contrôlée lors de l’apparition d’une tension anormale dans un aimant.

Des faisceaux d’énergie plus élevée

L’énergie des collisions qui se produiront dans le LHC depuis 2015 est de 13 TeV contre 8 TeV en 2012. Cette augmentation de l’énergie permet aux physiciens d’élargir leur champ de recherches à de nouvelles particules et de valider ou d’infirmer certaines théories.

Pour en savoir plus sur les améliorations et réparations de 2013-2015, c’est par ici.

Et quel est donc la troisième nouvelle particule candidate mentionnée plus haut ?

Les chercheurs pensent qu’il pourrait s’agir d’un type étrange (strange) de particule composite appelée tétraquark. Ce sont des sortes de mésons exotiques, qui possèdent normalement deux quarks. Mais un tétraquark est composé de quatre quarks, plus précisément de deux quarks et de deux antiquarks.

Voir aussi

Physique

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La forme précise d’un photon définie pour la première fois grâce à un nouveau modèle théorique

Les preuves d’observation des tétraquarks ont été assez difficiles à obtenir jusqu’à aujourd’hui, et c’est également le cas ici. La preuve d’existence de cette troisième particule, appelée Z_c^–(4100) et comprenant deux quarks charm lourds, a été détectée dans la désintégration de mésons B lourds.

Mais la détection n’a été faite que dans le cadre d’un intervalle de confiance de plus de 3 σ (sigma, ou écart-type). Le seuil habituel pour attester de la découverte d’une nouvelle particule étant de 5 σ. Des observations futures seront donc nécessaires pour confirmer ou infirmer l’existence de Z_c^–(4100).

Concernant les deux première particules découvertes, les résultats montrent des écarts-type bien plus élevés. En effet, ceux-ci sont de 12.7 pour Σb(6097)⁺ et de 12.6 pour Σb(6097)^–. Ces chiffres permettent donc d’annoncer officiellement l’existence de ces nouvelles particules.

Les résultats des recherches ont été publiés sur le serveur de prépublication Arxiv.

Sources : Arxiv (1 & 2), CERN