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Tétraquark

DéfinitionClassé sous :physique , accélérateur de particules , QCD
À gauche, les hadrons ordinaires avec les baryons formés de trois quarks et les mésons formés d'un quark et d'un antiquark. À droite, deux des hypothèses en lice pour expliquer en 2013 le hadron Zc(3900) : une molécule de mésons ou un vrai tétraquark. © Nature

Un tétraquark est une hypothétique particule faisant partie du zoo des hadrons et qui serait constituée de quatre quarks liés, formant un seul objet comme les mésons ou les baryons. Plusieurs candidats au titre de tétraquark ont été découverts dans des collisions avec des accélérateurs, mais comme on va le voir, ce statut est problématique.

Au premier abord, le modèle des quarks semble dire qu'il ne peut exister dans la nature que des paires ou des triplets de quarks (exception faite des strangelets, des particules hypothétiques constituées d'un état lié d'un nombre égal de quarks u, d et de quarks étranges).

Couleur des tétraquarks

En effet, les quarks possèdent une sorte d'analogue de la charge électrique que l'on appelle la couleur. Un hadron composé de quarks devrait être neutre, c'est-à-dire « blanc » ou « incolore » du point de vue de la charge de couleur. C'est bien le cas pour un méson composé d'un quark et d'un antiquark, et pour un baryon composé de trois quarks de couleurs différentes dont la composition donne du « blanc ».

Or, depuis quelques années, les physiciens des particules croient observer dans des collisions comme celles de positrons et d'électrons avec l'accélérateur japonais KEK des hadrons exotiques qui s'expliquent mal avec seulement deux ou trois quarks formant un état lié. Depuis un certain temps, des mésons formés de quatre quarks auraient donc bel et bien été créés, mais jusqu'en 2013, des doutes subsistaient.

Ces mésons à quatre quarks apparaîtraient transitoirement, dans certaines collisions d'électrons et de positrons, des hadrons lourds instables dénommés Zb(10610) et Zb(10650), en raison de leurs masses respectives de 10.610 et 10.650 MeV, qui se désintègrent ensuite en bottomium et deux mésons π chargés.

Les mésons sont constitués d'un quark et d'un antiquark, alors que les baryons contiennent trois quarks. Les mésons exotiques découverts depuis quelques années contiendraient quatre quarks, mais il semble plus naturel de les concevoir comme des états moléculaires liés de diquarks. On a représenté en bas à gauche les états qui seraient construits avec des quarks charmés (c) et en bas à droite ceux avec des quarks beaux (b). © KEK

Des molécules formées de mésons ?

Ces nouveaux mésons se comportent comme s'ils étaient constitués d'un quark beau et d'un antiquark beau, mais comme ils sont chargés, ils doivent contenir aussi deux autres quarks différents. Or, on a du mal à comprendre l'existence d'un hadron qui serait un tétraquark avec la chromodynamique quantique (QCD). D'autres exemples avaient déjà été observés : les hadrons exotiques X(3872), Y(3940), et Z(4430).

Cependant, les théoriciens ont de la ressource, et certains avancent des explications où l'on évoque des « molécules » de quarks, ou encore des diquarks liés. Il se pourrait que certains hadrons avec trois quarks soient en réalité plus correctement compréhensibles si l'on suppose qu'ils constituent un état lié d'un diquark, un peu analogue à un méson classique, avec un troisième quark. Dans le cas des hadrons Zb, on serait en présence d'un état lié de deux diquarks.

Découverte d’un nouveau méson exotique en 2013

Il s'agit d'une idée ancienne, remontant aux années 1970. De même que les noyaux atomiques sont des états liés de nucléons collés ensemble non par des échanges de gluons, mais par des échanges de mésons, les hadrons exotiques seraient tout simplement des états liés de mésons déjà connus.

En 2013, on a annoncé que l'on avait découvert un nouveau méson exotique faisant partie des mésons XYZ. Cette fois, cet objet semble bien être une véritable particule formée de quatre quarks. Mais il reste toujours possible que Zc(3900) ne soit pas un tétraquark, mais là encore une molécule formée de deux mésons. Cependant, s'il s'agit bien d'un tétraquark, il faudra d'abord expliquer son existence dans un cadre théorique, mais surtout, cela impliquera qu'une partie du zoo des hadrons est restée dans l'ombre, et qu'il reste encore probablement à découvrir une faune riche de particules formées de quatre quarks.

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