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On a découvert un hadron exotique avec six quarks

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Un dibaryon a peut-être été mis en évidence en Allemagne, au Centre de recherche de Jülich, dans le cadre de la collaboration Wasa-at-Cosy. Il s'agit en tout cas bel et bien d'un hadron exotique, formé de six quarks, déjà envisagé en 1964 par Freeman Dyson. Avec la découverte de ce qui pourrait être un tétraquark, ce dibaryon laisse penser que le monde des hadrons est encore plus diversifié qu'on le pensait.

Freeman Dyson dans son bureau à l'université de Princeton. Le physicien a bien connu de grands noms de la physique comme Hans Bethe, qui a découvert comment brillaient les étoiles, et Robert Oppenheimer, pionnier de la physique des trous noirs et des étoiles à neutrons. Dyson fut le premier à comprendre l’importance des travaux de Richard Feynman sur l’électrodynamique quantique relativiste, dont il donna une forme plus rigoureuse, ce qui lui permit, sans doctorat, de décrocher un poste à vie à l’université de Princeton. © Monroem, Wikipédia, cc by sa 3.0

Freeman Dyson a fêté ses 90 ans en décembre 2013 à Princeton. Les contributions à la science de ce mathématicien et physicien théoricien concernent plusieurs domaines de la physique. On lui doit de nombreuses idées originales, comme celle de tenter de mettre en évidence directement des ondes gravitationnelles en se servant de la Terre comme détecteur, ou encore de chercher des preuves de l'existence de la vie sur Europe, la lune de Jupiter, en examinant des fragments de banquise éjectés dans l'espace par des impacts de météorites.

En 1964, quelques mois seulement après la publication par George Zweig et Murray Gell-Mann de leur théorie des quarks, Dyson découvre avec son collègue Xuong qu'elle implique l'existence de sortes d'états liés de deux baryons. Rappelons que les baryons sont des particules composées de trois quarks, comme le proton et le neutron, alors que les mésons sont composés d'un quark et d'un antiquark. Il faudra encore une dizaine d'années pour que les idées de Gell-Mann et Zweig s'imposent. Pour cela, bien sûr, une série de découvertes expérimentales sera nécessaire, mais pas seulement. Le début des années 1970 est aussi marqué par l'essor des théories de jauge, la découverte des équations de champ décrivant la force nucléaire forte entre les quarks et les travaux sur le groupe de renormalisation du prix Nobel de physique Kenneth Wilson.

Les hadrons ordinaires (à gauche) sont des baryons ou des mésons. Des données expérimentales prouvent maintenant l'existence de hadrons exotiques (à droite). Ils contiennent plus de trois quarks ou antiquarks, mais on ne sait pas encore très bien si ce sont des états moléculaires de hadrons, par exemple un dibaryon, ou d'authentiques états liés de quarks, comme le sont les hadrons ordinaires. © Centre de recherche de Jülich, SeitenPlan, cc by 4.0

Résonance qui trahit un hadron exotique

Pourtant, malgré tous ces progrès et la mise en évidence de six types de quarks différents (alors que Gell-Mann et Zweig n'en postulaient que trois), rien n'était venu confirmer la prédiction de Dyson et Xuong. Elle n'a cependant pas été oubliée, comme le prouve un article publié sur arxiv par des membres de la collaboration Wasa-at-Cosy. L'expérience qu'ils ont menée a utilisé le Wide Angle Shower Apparatus (Wasa) pour étudier les produits des collisions de noyaux de deutérium accélérés par le Cooler Synchrotron (Cosy) avec des protons dans une cible fixe.

Les chercheurs ont mis en évidence ce qu'ils appellent une résonance dans la production de pions, baptisée d*(2380). Tout porte à croire qu'il s'agit bien de la manifestation de l'existence fugace d'un dibaryon, c'est-à-dire une sorte d'état lié de deux baryons, comme intermédiaire de réaction dans la production des mésons π. Ce genre de dibaryon est parfois désigné par le terme « hexaquark », ce qui laisse ouverte la possibilité qu'il soit en réalité un seul hadron composé de six quarks.

Cette particule est donc, en tout cas, un « hadron exotique ». Cette découverte s'ajoute à celle des mésons exotiques, dont on sait que certains contiennent quatre quarks, mais dont il reste difficile de dire, là aussi, s'il s'agit d'authentiques tétraquarks ou de molécules de mésons. Ce qui est sûr, c'est que le spectre des particules contenues dans les équations de la chromodynamique quantique est plus large que ce que beaucoup pensaient initialement. Peut-être faudra-t-il aussi faire intervenir de la nouvelle physique, comme la supersymétrie, pour en rendre complètement compte.