Les membres de la collaboration LHCb devant le détecteur du Cern. © Cern-Maximilien Brice-Rachel Barbier

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Le LHC a découvert une nouvelle particule exotique, un tétraquark charmé

ActualitéClassé sous :physique , quark , tétraquark

Une particule dont l'existence avait été prédite au début des années 1980 est finalement tombée dans les filets du Cern. Les membres de la collaboration LHCb utilisant le détecteur éponyme annoncent en effet l'existence d'un hadron exotique contenant quatre quarks charmés.

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Le LHC est à l'arrêt depuis plus d'un an mais les ingénieurs, les techniciens et les physiciens du Cern préparent son grand retour pour 2021. Les faisceaux de protons devraient alors atteindre les 7 TeV chacun pour pouvoir faire des collisions à l'énergie nominale prévue de longue date de 14 TeV. La luminosité des faisceaux aura aussi augmenté de sorte qu'un plus grand nombre de collisions seront possibles par seconde, ce qui permettra d'espérer observer des événements improbables en un temps raisonnable. Ainsi, une luminosité plus élevée permettra peut-être de découvrir en quelques années des particules de matière noire. Il aurait fallu des décennies avec des faisceaux moins intenses et donc avec un nombre de collisions par seconde plus faible. 

Une présentation du futur collisionneur circulaire européen : le FCC. Traduction et sous-titrages en cliquant sur la roue dentée en bas à droite de l'écran. © Cern

En route vers le HL-LHC et le FCC

Cela arrivera peut-être avec un LHC encore plus « lumineux » ; un LHC à haute luminosité - ou HL-LHC - devrait voir le jour à l'horizon 2027 après de multiples améliorations prévues d'ici là. Il devrait permettre de multiplier par dix le nombre d'interactions entre particules par rapport à aujourd'hui. Récemment le conseil du Cern, l'organisation européenne pour la recherche nucléaire qui gère le LHC, vient aussi de confirmer son intérêt pour une machine encore plus spectaculaire dans le cadre de la « Stratégie européenne pour la physique des particules ».

Cette fois, l'horizon prévu est 2040 avec la mise en service du FCC, pour Future Circular Collider. Avec 100 kilomètres de circonférence, plus de trois fois la taille du LHC, il permettra d'atteindre des énergies encore plus élevées. Si comme dans le cas du LHC avec le LEP, un collisionneur électrons-positrons devrait d'abord le précéder, à terme le FCC devrait permettre des collisions de protons à 100 TeV.

Rappelons qu'une énergie de 1 TeV peut en théorie se retrouver sous la forme de 1.000 protons au repos d'après la célèbre formule d'Einstein exprimant l'équivalence entre l'énergie et une masse. Futura a déjà consacré des articles au HL-LHC et au FCC.

En attendant, les physiciens des hautes énergies impliqués dans les expériences du Cern ne chôment pas. Ils continuent à étudier les données accumulées dans les grands détecteurs du LCH comme CMS, Atlas, LHCb et Alice.

L'expérience LHCb et l'énigme de l'asymétrie matière-antimatière. Pour voir les sous-titres en français, cliquez sur CC dans la barre en bas de la vidéo. © CernTV-YouTube

Un méson X qui se désintègre en deux mésons J/Ψ

La collaboration LHCb, en particulier, vient de faire savoir via une publication disponible en accès libre sur arXiv qu'elle avait découvert un nouvel hadron exotique, un membre de la famille des fameux mésons XYZ, dont Futura avait déjà parlé dans l'article ci-dessous à l'occasion de la découverte, déjà par LHCb, d'un tétraquark probable.

Le nouveau venu a été nommé X(6900), sa masse est d'environ 6,9 fois celle d'un proton soit 6,9 GeV et il est très instable, il se désintègre donc rapidement en donnant deux mésons J/Ψ, lesquels contiennent chacun un quark et un antiquark. Cet hadron contient 4 quarks et ils sont tous d'une même saveur de quarks (il en existe 6), comme le disent dans leur jargon les physiciens, en l'occurrence des quarks et des antiquarks charmés. Il s'agirait donc d'un cousin du charmonium, un analogue de l'atome d'hydrogène quantique mais avec un quark et un antiquark charmés en orbite l'un autour de l'autre. Toutefois, les chercheurs n'excluent pas qu'il puisse s'agir en réalité d'une molécule de deux hadrons, une hypothèse déjà avancée pour d'autres tétraquarks potentiels, comme Futura l'expliquait dans l'article ci-dessous également.

La découverte a été commentée en ces termes dans un communiqué du Cern par Giovanni Passaleva, porte-parole sortant de la collaboration LHCb : « Les particules constituées de quatre quarks sont déjà exotiques, et celle que nous venons de découvrir est la première composée de quatre quarks lourds du même type, à savoir deux quarks c et deux antiquarks c. Jusqu'à présent, LHCb et les autres expériences avaient observé uniquement des tétraquarks comprenant au maximum deux quarks lourds, et aucun ayant plus de deux quarks du même type », avec les précisions suivantes de Chris Parkes, nouveau porte-parole de LHCb : « Ces particules exotiques lourdes sont des cas extrêmes, et pourtant constituent des objets assez simples théoriquement, avec lesquels il est possible de tester des modèles pouvant ensuite être utilisés pour expliquer la nature des particules de la matière ordinaire, comme les protons ou les neutrons. Les observer pour la première fois dans des collisions au LHC est donc très intéressant ».

Notons que l'existence de X(6900) n'est pas une surprise pour les théoriciens de la physique des particules car, déjà au tout début des années 1980, J.-P. Ader, J.-M. Richard et Pierre Taxil avaient publié un article en ce sens.
 

  • Depuis quelques années, les membres de la collaboration LHCb découvrent des hadrons exotiques qui contiennent quatre quarks.
  • Ce sont des représentants d'une famille de particules décrites par le modèle standard et que l'on appelle aussi des mésons XYZ.
  • Il pourrait aussi s'agir d'états liés de deux hadrons, comme le proton et le neutron dans le noyau de deutérium.
Pour en savoir plus

Des hadrons à quatre quarks existent bien, mais sont-ils des tétraquarks ?

Article de Laurent Sacco publié le 24/06/2013

Voilà que l'on parle à nouveau de l'observation d'un tétraquark, une particule qui ne semble pas pouvoir exister selon la théorie des quarks. Cette fois-ci, si l'on peut raisonnablement parler de la découverte d'une particule contenant quatre quarks avec la résonance Zc(3900), on ignore sa vraie nature. Ce pourrait être une sorte de molécule formée de deux mésons, et non un hadron unique.

Selon la théorie des quarks, le monde des hadrons ne peut contenir que des mésons, c'est-à-dire des particules formées de deux quarks, et des baryons, composés de trois quarks. Ce fut donc une surprise lorsque les physiciens des particules ont découvert le hadron Y(4260) en 2005 avec l'expérience BaBar. Au début, ils pensaient à un état excité du charmonium, c'est-à-dire une particule formée d'un quark charmé et de son antiquark. Mais il a fallu se rendre à l'évidence. Il s'agissait d'un autre exemple de ce que l'on appelle désormais des mésons XYZ, dont la masse est d'environ 3,9 GeV. Ressemblant par certains côtés à des mésons contenant des quarks charmés, ils n'entrent cependant pas dans cette catégorie. On ne comprend pas bien leur existence dans le cadre de la chromodynamique quantique, la QCD.

Y(4260) est le plus déroutant, et l'on peut l'interpréter comme un état lié de quatre quarks, un tétraquark donc. Ce n'est pas la première fois que l'on découvre des indices de l'existence d'un hadron formé de quatre, voire cinq quarks. Ainsi, pendant des années, le pentaquark a été un serpent de mer de la physique hadronique. Toutefois, on pouvait aussi interpréter l'existence de la résonance Y(4260) en entrant moins frontalement en conflit avec la QCD.

Un schéma montrant les hadrons composés de quarks, mais surtout des champs de gluons collant ces particules et expliquant l'essentiel de la masse du proton et du pion. Le méson Zc(3900) est peut-être un tétraquark avec deux quarks charmés. © Alan Stonebraker, APS

Hadron avec une boule de glu stable ou molécule de mésons ?

En effet, la théorie repose sur l'existence de sortes de cousins du photon, les gluons, pour expliquer les forces nucléaires fortes qui collent les quarks entre eux. Du fait de la structure non linéaire des équations de Yang-Mills de la QCD, les gluons s'attirent aussi entre eux. Alors que c'est un phénomène impossible en électrodynamique quantique, il peut se former temporairement dans les hadrons des états liés de deux gluons, les « boules de glu », ou glueballs en anglais.

Comme les quarks, les glueballs ne peuvent pas exister à l'état isolé. En fait, on n'a que des preuves indirectes de leur existence temporaire dans les hadrons où elles apparaîtraient et disparaîtraient sans cesse d'une certaine façon. Certains ont proposé que Y(4260) soit en fait un méson hybride où une glueball stable serait liée à un méson standard. Dans la même veine, d'autres ont proposé que Y(4260) soit une « molécule de mésons », formée par deux mésons liés par les forces nucléaires fortes.

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 le hadron Zc(3900), une molécule de mésons ou un vrai tétraquark. © Nature

Des usines à bosons XYZ

C'est pour tenter de mieux comprendre la nature de Y(4260) que les physiciens de BESIII en Chine et de Belle à Tsukuba, au Japon, ont entrepris de créer un grand nombre de ces hadrons. Ce faisant, ils ont découvert indépendamment une autre résonance Zc(3900). Elle se désintègre en un pion chargé et la fameuse particule J/ψ, dont l'observation a validé l'existence du quark charmé exigée entre autres par la fameuse matrice de Kobayashi et Maskawa.

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 probablementà découvrirune riche faune de particules formées de quatre quarks.

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