L'accélérateur de particules géant du Cern. © Cern

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5 nouvelles particules découvertes au LHC

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Par Laurent Sacco, Futura

L'expérience LHCb utilise l'un des quatre détecteurs géants dédiés à l'étude des collisions de protons au LHC. Les physiciens qui y travaillent viennent à nouveau d'annoncer la découverte de nouvelles particules : cinq baryons oméga du modèle standard.

Depuis plus de 50 ans maintenant, les physiciens se rassemblent pour faire le point sur les dernières découvertes en physique fondamentale à l'occasion des Rencontres de Moriond. Elles se déroulent en ce moment à La Thuile (Italie), dans une ambiance agréable, relaxée et conviviale, permettant à de jeunes chercheurs de discuter directement avec les leaders de leurs domaines.

Il se pourrait qu'on y parle des premiers signes de l'existence d'une nouvelle physique débusquée dans les dernières données recueillies au LHC... En attendant, le Cern a annoncé que l'un des détecteurs géants du Grand collisionneur de hadrons, LHCb, avait observé, lors d'une seule expérience, cinq nouvelles particules.

Une présentation de la collaboration LHCb au Cern. Cliquez en bas à droite pour des sous-titres en français. © Cern, YouTube

Les nouvelles particules sont prévues par le modèle standard

Il s'agit en fait de baryons dont l'existence peut être prédite à partir du modèle standard, plus précisément de la chromodynamique quantique et de la théorie des quarks. Il s'agit même d'états excités (de résonances dans le jargon des physiciens) d'un membre d'une famille de particules déjà connues, les baryons oméga.

Rappelons que les baryons oméga, formés de trois quarks, ne contiennent aucun de ceux qui constituent les protons et les neutrons, à savoir les quarks « u » et « d » (sauf fugacement, en tant que fluctuations du vide quantique). Le premier de ces baryons à avoir été découvert est le baryon Ω.

Il avait été prédit théoriquement en 1961 par Murray Gell-Mann et indépendamment par Yuval Ne'eman, un colonel de l'armée israélienne venu tard à la physique, en utilisant des arguments de symétrie basés sur le fameux groupe de Lie SU(3). Cela allait les conduire finalement à la découverte de la théorie des quarks.

La découverte du premier baryon oméga avec des commentaires de Feynman, Gell-Mann, Ne'eman. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © YouTube

Le baryon Ω a été observé en 1964. Il est chargé négativement, d'où le « - », et est composé de trois quarks étranges (des quarks dits « s »). Comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arXiv, les chercheurs du Cern ont, eux, découvert les baryons Ωc(3000)0, Ωc(3050)0, Ωc(3066)0, Ωc(3090)0 et Ωc(3119)0. Les nombres en parenthèses donnent les masses respectives des particules en mégaélectronvolts (MeV), mesurées par LHCb. Ce sont en quelque sorte les équivalents d'atomes d'hydrogène à des énergies différentes du fait que l'électron se trouve sur des niveaux d'énergie distincts.

Ces baryons sont très instables, donc ils se désintègrent rapidement. Leur étude pourrait nous aider à mieux comprendre le contenu des équations de la chromodynamique quantique et peut-être d'y voir une nouvelle physique à l'œuvre.

La découverte de nouvelles particules avec des détecteurs peut être comparée à la réception d'une gamme de fréquences par un poste de radio. Au sein du bruit de fond, le signal produit une résonance dans le récepteur lorsqu’il est calé sur la bonne fréquence. Comme le montre ce schéma, ces cinq nouvelles particules dans le détecteur LHCb se présentent comme cinq « résonances », en rouge, au-dessus du bruit de fond, pour des énergies associées à des masses. © Collaboration LHCb
Pour en savoir plus

Deux nouvelles particules découvertes au LHC

Article de Laurent Sacco publié le 21/11/2014

Le Cern fête en 2014 ses 60 ans et c'est un beau cadeau d'anniversaire que viennent de lui offrir les membres de la collaboration LHCb qui utilisent l'un des quatre grands détecteurs de particules du LHC : deux nouveaux baryons. Ils avaient été prédits dans le cadre du modèle standard et devraient aider à découvrir des traces d'une nouvelle physique.

Depuis quelques années, l'Europe apparaît comme à la tête de plusieurs domaines scientifiques qui ont longtemps été l'apanage des États-Unis au niveau mondial. Il y a bien sûr les missions Planck et Herschel en ce qui concerne la cosmologie et l'astrophysique et plus récemment l'extraordinaire performance de la mission Rosetta. On peut citer aussi le Human Brain Project, qualifié de véritable Cern des neurosciences.

Le Cern lui-même vient de fêter les 60 ans de sa naissance officielle comme organisme de recherche en physique des hautes énergies au niveau européen. Il y a 50 ans, l'un de ses chercheurs, George Zweig, découvrait indépendamment de Murray Gell-Mann le modèle des quarks, qui a conduit presque 10 ans plus tard à la découverte des équations de la chromodynamique quantique (la QCD) expliquant la force nucléaire forte, et sur lequel s'est bâti aussi le modèle électrofaible ayant conduit à la mise en évidence du boson de Brout-Englert-Higgs avec le LHC. Un autre chercheur du Cern, John Bell, publiait aussi en 1964 un article que l'on peut considérer comme l'un des plus influents pour la naissance des travaux dans le domaine de l'information quantique.

Des membres de la famille des baryons Xi

Ces multiples anniversaires viennent de s'accompagner d'une publication sur arxiv par les membres de la collaboration LHCb. Ce détecteur a plus spécifiquement pour mission de nous éclairer sur les mystères de l'antimatière via des mesures sur la violation de la symétrie CP en étudiant des hadrons contenant des mésons b. Mais comme l'annoncent les physiciens qui l'utilisent pour leurs expériences, il leur a permis de découvrir deux nouvelles particules appelées Xib- et Xib*-, qui avaient été prédites par le modèle des quarks, mais qui n'avaient jamais été observées jusqu'ici.

La découverte de nouvelles particules avec des détecteurs peut être comparée à l’utilisation d’un poste de radio pour capter un canal d’émission. Il existe un bruit de fond au-dessus duquel le signal radio produit ce qu’on appelle une résonance dans le poste récepteur lorsqu’il est calé sur la fréquence de l’émetteur. Comme le montre ce schéma, la découverte de deux nouvelles particules dans le détecteur LHCb se présente comme deux « résonances » en bleu au-dessus du bruit de fond, en rouge pour des énergies associées à des masses. © Cern

Un tremplin pour chasser de la nouvelle physique

Il ne s'agit donc pas d'une preuve de l'existence d'une nouvelle physique, bien que le LHCb ait fourni quelques indications intrigantes de l'existence d'un boson Z' en 2013. Il ne s'agit pas non plus d'hadrons exotiques comme ceux qui ont aussi été découverts en analysant les produits des collisions de protons dans LHCb avant que le LHC ne soit arrêté pour que ses capacités soient améliorées. Il s'agit de baryons qui appartiennent à une famille de particules composées de trois quarks, les baryons Xi, et donc un nouveau membre le Xib*0, avait déjà été observée en 2012 par l'expérience CMS.

Les deux nouveaux baryons ont une masse d'environ 6 fois celle du proton et ils contiennent chacun un quark b, un quark s et un quark d. Mais tout comme les niveaux d'énergie des électrons dans un atome peuvent différer en raison de l'état de spin de l'électron dans l'atome, ces deux baryons n'ont pas la même énergie de masse parce que dans le cas du Xib-, les spins des deux quarks les plus légers sont de sens opposés à celui du quark b, tandis que dans l'état Xib*-, ils sont de même sens. Ils constituent de nouveaux laboratoires permettant de tester les prédictions de la QCD qui sont parfois impossibles à obtenir sans l'aide d'un ordinateur étant donné les équations non linéaires qui sont à la base de la théorie.

Pour ceux qui attendaient du LHC, la découverte de particules de matière noire ou encore de minitrous noirs, ces deux nouvelles particules, qui semblent tout à fait conformes aux prédictions du modèle standard, apparaissent sûrement comme quelque peu insipides. Toutefois, comme le rappelle Patrick Koppenburg, coordinateur pour la physique de LHCb, de l'institut Nikhef, à Amsterdam : « Si nous voulons découvrir une nouvelle physique au-delà du modèle standard, nous devons d'abord en avoir une image nette. Ces études de haute précision nous aideront à faire la différence, à l'avenir, entre des effets relevant du modèle standard et tout élément nouveau ou imprévu ».

Le LHC devrait repartir à la chasse à de la nouvelle physique au printemps 2015.