La découverte de nouvelles particules n’a pas uniquement lieu dans les accélérateurs de particules, elle se fait également grâce aux ordinateurs. En effectuant des simulations à partir de la chromodynamique quantique, des physiciens japonais ont mis en évidence un nouveau type de dibaryon : le di-Omega (ΩΩ).

Les baryons sont des particules composites constituées de trois quarks. Les baryons les plus connus sont le proton et le neutron, qui constituent le noyau atomique. La charge d’un baryon dépend de la « saveur » (le type) des quarks qui le composent. Il existe ainsi six saveurs de quarks possédant chacune une charge électrique : Down (-1/3), Up (+2/3), Strange (-1/3), Charm (+2/3), Bottom (-1/3), Top (+2/3). Ces six saveurs sont réparties par deux dans cet ordre, sur trois « générations » ; la masse augmentant de la première à la troisième génération.

Un dibaryon, encore appelé hexaquark, est une particule composée de deux baryons ; soit six quarks au total. Crédits : Linfoxman

Théorisé en 1977 par le physicien américain Robert Jaffe, un dibaryon est une particule composée de deux baryons, c’est pourquoi il est également appelé « hexaquark », car il contient six quarks. Le premier dibaryon prédit par Jaffe est le dibaryon H, constitué de deux quarks Up, deux quarks Down et et deux quarks Strange (udsuds). Dans les années 1990, au sein des accélérateurs de particules, plusieurs désintégrations suggèrent la présence de dibaryons sans toutefois pouvoir en apporter la confirmation. Il faut attendre 2014 pour que d*(2380), un dibaryon d’une durée de vie de 10-23 secondes et d’une masse de 2380 MeV, soit potentiellement détecté au Jülich Research Center.

Dans la nature, un seul dibaryon a été identifié : le deutéron, l’hydron (noyau sans électrons) du deutérium (isotope stable de l’hydrogène), composé d’un proton et d’un neutron. Bien que les scientifiques pensent que d’autres dibaryons puissent exister, aucune étude n’avait encore apporté de conclusion formelle à ce sujet. Cela vient de changer avec la découverte réalisée par une équipe de physiciens japonais de la HAL QCD Collaboration, publiée dans le journal Physical Review Letters.

La chromodynamique quantique (QCD) est la théorie quantique de l’interaction nucléaire forte. Elle étudie, modélise et décrit les interactions entre quarks et gluons. La QCD est mathématiquement éminemment complexe en raison de la non-linéarité de l’interaction forte. Il est donc quasiment impossible de trouver des solutions analytiques ou perturbatives de la QCD.

Pour simplifier ces calculs, les physiciens utilisent la « QCD sur réseau ». Dans ce cadre, l’espace-temps de la théorie est discrétisé (comme le quadrillage d’un réseau), la QCD devient alors mathématiquement bien définie et il est possible d’étudier des phénomènes non-perturbatifs, comme le confinement des quarks ou le plasma quarks-gluons.

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La chromodynamique quantique (QCD) est la théorie quantique de l’interaction nucléaire forte. Extrêmement complexe mathématiquement, les physiciens la simplifient en l’étudiant dans le cadre d’un espace-temps discrétisé sous forme de réseau. La QCD sur réseau permet ainsi de décrire plus aisément certains phénomènes. Crédits : JICFuS

La HAL QCD Collaboration est une collaboration de physiciens ayant pour objectif l’étude des phénomènes à basse et haute énergie dans le cadre de la QCD. Cette dernière se montre déjà extrêmement complexe concernant les baryons et le devient encore plus pour les dibaryons (la complexité mathématique augmente avec le nombre de quarks). Pour obtenir une puissance de calcul suffisante, les auteurs ont utilisé l’ordinateur K (K computer), un supercalculateur développé en 2012, disposant d’une puissance de calcul de 10 pétaflops, soit 1025 opérations par seconde, et basé au RIKEN’s Advanced Institute for Computational Science (Japon).

Après trois ans de calculs dans le cadre de la QCD sur réseau, les simulations ont prédit l’existence d’un dibaryon composé de deux baryons oméga et nommé « ΩΩ » ou « di-Omega ». Un baryon Ω contient trois quarks Strange, le di-Omega est donc un hexaquark constitué de six quarks Strange. Cette découverte se base sur des simulations précédemment effectuées en 2011, qui prédisaient l’existence théorique d’un dibaryon composé de deux quarks Up, deux quarks Down et deux quarks Strange.

Pour les auteurs, ces résultats peuvent être appliqués à la recherche expérimentale afin d’identifier le dibaryon ΩΩ dans des collisions de particules. « Nous pensons que ces particules exotiques pourraient être produites lors des expériences utilisant les collisions d’ions lourds, prévues en Europe et au Japon. Nous sommes impatients de travailler avec des collègues européens pour découvrir expérimentalement le premier dibaryon en dehors du deutéron », conclut Tetsuo Hatsuda, physicien au RIKEN.

Source : Physical Review Letters

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