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Un cousin du neutron découvert au Fermilab : le baryon Xi

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Le Tevatron cessera bientôt de produire des collisions entre protons et antiprotons. Mais avant de tirer sa révérence, il vient de vérifier une prédiction du modèle standard. Cousin du neutron et presque six fois plus lourd que lui, le baryon Xi neutre contenant un quark b existe bel et bien !

Le détecteur CDF du Tevatron. © Fermilab

Nous savons aujourd'hui qu'il existe six saveurs de quarks dans la nature, c'est-à-dire six quarks qui diffèrent les uns des autres par les valeurs de leurs masses et de leurs charges, dont deux forment les nucléons. Initialement, quand leur existence a été proposée au début des années 1960 par des chercheurs comme Murray Gell-Mann, George Zweig et Yuval Ne'eman, il n'y en avait que trois, à savoir les quarks up (u), down (d) et strange (s). De plus beaucoup les considéraient comme de simples artifices mathématiques, ne pouvant être aussi réels qu'un électron ou un neutrino. D'ailleurs, si les hadrons connus à l'époque, c'est-à-dire les nucléons, les mésons et les hypérons, étaient bien composés de ces particules plus élémentaires, on devait pouvoir les observer à l'état libre en faisant entrer en collision des protons, avec suffisamment d'énergie.

À la fin des années 1960, des cosmologistes comme Yakov Zel'dovich avaient même calculé que si les quarks avaient existé à l'état libre dans les premiers millionièmes de seconde de l'existence de l'univers, certains devraient encore exister comme tel aujourd'hui et devraient même être plus abondants que des atomes d'or. Le scepticisme était de rigueur, même si une particule prédite par le modèle des quarks, l'Ω-, avait bien été observée dès les années 1960. Des vidéos historiques, avec les commentaires sur cette découverte de Richard Feynman et Murray Gell-Mann, sont disponibles sur YouTube.

Un schéma montrant des combinaisons à trois quarks. Les baryons avec deux quarks b (dans la partie violette) manquent toujours à l'appel. Le Xi neutre avec quarks u, s et b a finalement été détecté. Tous les baryons laissés en cercles blancs sont ceux qui n'ont pas été découverts. © Fermilab

Il a fallu les observations en accélérateurs du début des années 1970 et la découverte de la théorie du confinement des quarks pour que la communauté scientifique admette leur existence. Ces mêmes années, la théorie décrivant les interactions fortes entre ces quarks, la chromodynamique quantique, passait des tests décisifs. La théorie électrofaible ne tarda pas à s'imposer aussi, liant quarks et leptons dans différentes réactions entres particules, mais au prix d'une multiplication par deux du nombre de quarks. Apparaissaient alors dans la théorie, les quarks beau (b), charmé (c) et top (t). 

Des particules presque insaisissables

Le quark charmé a été découvert par Burton Richter au Slac et par Samuel Ting au Laboratoire national de Brookhaven, en 1974. Les quarks beau et top furent directement observés au Tevatron (Fermilab), respectivement en 1977 et 1994. Ces six saveurs de quarks peuvent se combiner par deux ou par trois et il en résulte que plusieurs dizaines de particules différentes sont possibles sur cette base. Ce sont donc les hadrons.

Les détails des réactions de désintégration du nouveau baryon. Les produits finaux suite à une cascade de désintégrations sont des protons p et des mésons pi. © Fermilab

En dehors des nucléons, les hadrons sont très, très instables et ne vivent que d'infimes fractions de seconde. Tout comme les atomes, ils possèdent des niveaux d'excitation, autant dire que c'est un véritable déluge de particules, toutes différentes les unes des autres, qui apparaît lorsque l'on réalise des collisions à hautes énergies entre protons et antiprotons.

Identifier celles qui sont les plus difficiles à produire et les plus instables est donc loin d'être simple et c'est pourquoi plusieurs hadrons manquent à l'appel. C'était le cas du , un baryon formé d'un quark u, d'un quark s et d'un quark b, finalement identifié aujourd'hui par le détecteur CDF, le même dont on avait pensé il y a quelques mois qu'il avait peut-être observé le mythique boson Z'.

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