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Un méson à quatre quarks défie la physique et les physiciens

Les physiciens de l'expérience Belle du KEK laboratory au Japon ont découvert un curieux méson baptisé Z(4430). Selon certains, il s’agirait d’une particule composée de quatre quarks. Une telle chose semble impossible ou presque dans le cadre de la théorie de la chromodynamique quantique.

La preuve de l'existence du Z(4430) avec une résonance dans le taux de production à 4430 MeV. Crédit : KEK Laboratory La preuve de l'existence du Z(4430) avec une résonance dans le taux de production à 4430 MeV. Crédit : KEK Laboratory

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Depuis leur introduction dans le monde de la physique des particules au début des années 1960 par Gell-Mann, Ne’eman et Zweig, les quarks n’ont cessé d’intriguer les physiciens par leur comportement anormal au regard de celui des autres particules élémentaires. Pourtant, la théorie des interactions fortes dominant le monde des hadrons construite avec eux s’est montrée particulièrement performante pour décrire les expériences en accélérateurs.

Toutefois, les équations de la QCD (chromodynamique quantique) décrivant les échanges de gluons entre les quarks, et responsables de la structure composite des protons et des neutrons, sont notoirement difficiles à résoudre à cause de leur structure non-linéaire. Ce qui fait que l’on ne comprend toujours pas très bien pourquoi les quarks restent confinés dans les hadrons, même si l’on a beaucoup progressé depuis la fin des années 1960, et qu’il est toujours quasi impossible de prédire la masse des protons et des neutrons sans utiliser des ordinateurs.

Malgré tout, la théorie implique de façon assez solide que les quarks ne peuvent s’assembler que par paires de particule-antiparticule, pour former des mésons, et par trois pour former des baryons.

 

 

 

Trois exemples de mésons formés d'un quark et d'un antiquark désigné par une barre sur le dessus. Crédit : KEK Laboratory
Trois exemples de mésons formés d'un quark et d'un antiquark désigné par une barre sur le dessus. Crédit : KEK Laboratory

C’est donc avec une certaine surprise que les expérimentateurs occupés à analyser les produits des réactions de collisions entre des électrons et des positrons, avec les expériences BaBar au Stanford Linear Accelerator Center et Belle au KEK laboratory, ont découvert des indications fortes de la présence de mésons constitués de quatre quarks.

Un état excité du charmonium ?

De prime abord, cela ne semblait pas l’explication la plus plausible. En effet, les mésons, tout comme les baryons, étant composites à l’instar des atomes, ils possèdent des niveaux d’énergie et peuvent se retrouver dans un état excité. La première hypothèse présentée était donc que l’on était précisément en présence de ce phénomène avec un méson dit charmé, appelé encore charmonium car composé d’un quark charmé et d’un antiquark charmé (le charme désignant un état quantique analogue au spin pour ce type de quark). On le retrouvait justement comme état de désintégration d’un des mésons instables pouvant s’interpréter comme constitué de 4 quarks.

Les collisions électron-positrons produisent de nombreux types de particules qui se désintégrent selon différents modes en chaîne. Ici un méson beau (B) se désintégre en Z(4430) qui lui même donne un charmonium aussi appelé méson J/psi. Crédit : KEK laboratory
Les collisions électron-positrons produisent de nombreux types de particules qui se désintégrent selon différents modes en chaîne. Ici un méson beau (B) se désintégre en Z(4430) qui lui même donne un charmonium aussi appelé méson J/psi. Crédit : KEK laboratory

Or, le méson Z(4430) aujourd’hui découvert est chargé alors que le charmonium est neutre ! Il semble donc difficile de croire qu’il s’agit bien d’un état excité. De plus, le Z(4430) se désintégre en charmonium et en un méson pi chargé. On est donc en présence d'un candidat méson à quatre quarks qui semble bien discernable d'un état excité du charmonium contrairement à un autre méson : le X(3872).

Crédit : KEK laboratory
Crédit : KEK laboratory

Tous les physiciens ne sont pas encore convaincus et certains pensent que de nouvelles expériences sont encore nécessaires. En effet, si l’existence d’un méson à quatre quarks devait se confirmer, il faudrait réexaminer les équations de la QCD, si ce n’est la théorie des interactions nucléaires fortes elle-même.


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