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Le pentaquark, une nouvelle particule découverte au LHC

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Composé de cinq quarks comme son nom l'indique, le pentaquark, qui vient d'être découvert au Cern, trouve sa place dans le cadre du modèle standard de la physique des hautes énergies. Pas de nouvelle physique, donc. Cette particule devrait cependant nous aider à mieux comprendre les protons et les neutrons qui nous composent.

La nouvelle particule découverte avec le détecteur de la collaboration LHCb est probablement un pentaquark formé de quatre quarks et d'un antiquark. Une hypothèse représentée sur ce dessin d'artiste. © Cern

Harald Fritzsch et Murray Gell-Mann ont publié en 1972 les équations d'une théorie ayant permis aux physiciens de pénétrer profondément dans le monde des hadrons, dominés par les forces nucléaires fortes s'exerçant entre les quarks, les particules élémentaires qui les constituent. Les deux chercheurs avaient nommé cette théorie la chromodynamique quantique (QCD ou Quantum Chromodynamics en anglais), en référence aux analogues à la charge électrique portée par les quarks, la couleur. La QCD est une théorie des champs de Yang-Mills comme l'est celle de la force électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg. Elle prédit l'existence de huit cousins des photons que Fritzsch et Gell-Mann ont baptisés des gluons -- contrairement aux photons, les gluons correspondent à l'interaction nucléaire forte. Les fondements de la théorie des quarks avaient quant à eux été posés en 1964 par Murray Gell-Mann, collègue de Richard Feynman à Caltech, et indépendamment par un tout jeune thésard de Feynman, George Zweig, alors en poste au Cern.

La théorie des quarks et la QCD font encore l'objet de recherches théoriques et expérimentales poussées de nos jours. On n'a pas encore percé tous leurs secrets, même en utilisant les ordinateurs à la façon du prix Nobel Kenneth Wilson. En témoigne l'annonce par les membres de la collaboration LHCb de la découverte d'un nouvel hadron composé de cinq quarks : un pentaquark. Leur article est disponible sur arXiv.

Découvrez une présentation de la collaboration LHCb au Cern dans cette vidéo. © YouTube, Cern

Une nouvelle famille de hadrons, les pentaquarks

Le pentaquark fait partie des hadrons exotiques, tout comme le tétraquark, déjà découvert par les membres de la collaboration LHCb. Jusque-là, c'était un peu le serpent de mer de la physique hadronique. En 1997, trois physiciens théoriciens russes du Petersburg Nuclear Physics Institute, Maxim Polyakov, Dmitri Diakonov et Victor Petrov, étaient arrivés à la conclusion que les équations de la QCD n'autorisaient pas que les hadrons formés de trois quarks (les baryons), et de deux quarks (les mésons). Il devait exister une autre famille à cinq quarks, plus précisément quatre quarks et un antiquark. Les trois chercheurs avaient même calculé les caractéristiques d'un de ces hadrons exotiques contenant deux quarks u, deux quarks d et un antiquark s. Mais avaient-ils raison ?

Les expérimentateurs se sont rapidement emparés de la question au début des années 2000. Des physiciens japonais ont été les premiers à annoncer la découverte d'un candidat possible au titre de pentaquark en examinant les produits du bombardement de neutrons dans des atomes de carbone par des rayons gamma. La particule observée semblait être 1,5 fois plus massive que le proton. Hélas, comme dans plusieurs autres expériences réalisées ensuite, une analyse plus poussée avait montré qu'en réalité on ne pouvait pas conclure à une découverte.

De 2009 à 2012, les membres de la collaboration LHCb ont cependant collecté une grande quantité de données concernant la désintégration d'un baryon appelé Λb (Lambda b) en trois autres particules, un J/ψ-(J-psi), un proton et un kaon chargé. Ils poursuivirent leur analyse alors que le LHC était temporairement à l'arrêt pendant deux ans pour préparer son second « run » et les résultats se révélèrent fructueux. L'exceptionnelle qualité du détecteur a en effet permis la découverte de signaux correspondant à des particules environ 4,7 fois plus massives que le proton. Tomasz Skwarnicki, physicien à la collaboration LHCb et membre de l'université de Syracuse, explique dans un communiqué du Cern : « Profitant des très nombreuses données fournies par le LHC et de l'excellente précision de nos détecteurs, nous avons examiné toutes les possibilités pour ces signaux et concluons qu'ils peuvent être expliqués uniquement par des états pentaquarks. Pour être plus précis, ces états doivent être formés de deux quarks u, d'un quark d, d'un quark c et d'un antiquark c ».

La nouvelle particule découverte au Cern contient cinq quarks. Comme le montre ce dessin, il pourrait s'agir d'une sorte d'état lié complexe entre un méson (à gauche) et un baryon (à droite). De telles molécules hadroniques ont déjà été envisagées par les chercheurs. © Cern

Une molécule méson-baryon ou un pentaquark ?

Un minimum de prudence s'impose tout de même. Une nouvelle particule contenant cinq quarks a bien été découverte mais, comme l'explique Liming Zhang, physicien à la collaboration LHCb et membre de l'université de Tsinghua, les quarks pourraient être liés étroitement « ou alors ils pourraient être liés faiblement et former une sorte de molécule méson-baryon dans laquelle le méson et le baryon seraient sensibles à une force forte résiduelle semblable à celle qui lie les protons et les neutrons à l'intérieur des noyaux. »

Heureusement, la seconde campagne de prise de données au LHC a commencé. Gageons que l'on en saura beaucoup plus dans quelques années, notamment grâce aux progrès des calculs sur ordinateurs qui permettent déjà de retrouver les masses des protons et des neutrons à partir des équations de la QCD et du modèle électrofaible.

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