LHCb, l'un des détecteurs géants du Cern étudiant les collisions des faisceaux de protons du LHC. On y chasse les désintégrations rares de mésons contenant des quarks b, ou quarks bottom. Ces mésons sont une fenêtre potentielle sur une nouvelle physique, en particulier celle pouvant expliquer pourquoi la matière domine largement l'antimatière dans le cosmos observable. © Cern

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Au LHCb, un hadron défie le modèle des quarks

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La découverte du boson de Brout-Englert-Higgs a mis sur le devant de la scène au LHC les détecteurs Atlas et CMS, faisant un peu oublier qu'il en existe deux autres, LHCb et Alice. Les membres de la collaboration LHCb (Large Hadron Collider beauty) viennent pourtant de confirmer l'existence d'un hadron exotique qui pose problème dans le cadre du modèle standard. Baptisée Z(4430), cette particule contiendrait quatre quarks.

Le modèle des quarks de Gell-Mann et Zweig a 50 ans. Il ne s'est vraiment imposé qu'au début des années 1970, lorsque la structure des protons et des neutrons a été explorée plus efficacement avec les faisceaux d'électrons disponibles à l'époque et que l'on a interprété les données obtenues en utilisant le modèle des partons de Feynman. La découverte d'un mécanisme plausible de confinement des quarks dans les hadrons à la même époque a permis de comprendre pourquoi les quarks n'existaient pas à l'état libre, malgré les violentes collisions entre protons réalisées avec les accélérateurs.

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

Dans le cadre de la théorie de la force nucléaire forte entre les quarks, on prédit naturellement que les hadrons sont soit des mésons composés d'un quark et d'un antiquark, soit des baryons composés de trois quarks. Comme il existe six quarks différents, cela permet donc l'existence d'un large zoo de hadrons avec leurs antiparticules.

Les mésons XYZ, des tétraquarks ?

Depuis une dizaine d'années, des hadrons exotiques pointent le bout de leur nez dans les collisions produites par diverses expériences comme celles menées par la collaboration Belle à Tsukuba, au Japon. Appelés mésons XYZ, ils n'entrent pas facilement dans le cadre de la théorie des quarks, à tel point que certains doutaient de leur existence. Pourtant, l'année dernière, celle du méson Zc(3900) a finalement été confirmée. Il semble être formé de quatre quarks, bien que l'on ne sache pas vraiment s'il s'agit d'un authentique tétraquark ou d'une « molécule » de mésons. Dans cette dernière éventualité, il existe des modèles proposés dès les années 1970, par exemple par Alvaro De Rújula, Howard Georgi et Sheldon Glashow, qui pourraient peut-être expliquer ce que l'on observe.

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 les hadrons exotiques, une « molécule » de mésons (meson molecule) ou un vrai tétraquark. © Nature

La collaboration LHCb (Large Hadron Collider beauty) vient maintenant d'annoncer qu'elle avait établi solidement l'existence d'un autre hadron exotique, nommé Z(4430). Comme ses membres l'expliquent dans un article déposé sur arxiv, cela a nécessité d'analyser les produits de désintégration de plus 25.000 mésons B, résultant eux-mêmes de 180.000 milliards (180 x 1012) de collisions de protons accélérés par le LHC. Dans le jargon des physiciens, le signal démontrant l'existence du Z(4430) est de 13,9 sigma, c'est-à-dire qu'il y a une probabilité extraordinairement faible qu'il soit le produit de fluctuations statistiques dans le détecteur. Rappelons que la règle d'or en physique des hautes énergies, comme en astrophysique, pour affirmer avoir fait une découverte est d'avoir un signal à au moins cinq sigma. Cette condition est donc largement remplie.

Il est remarquable que les résultats les plus exotiques fournis par le LHC soient jusqu'à présent ceux en provenance du détecteur LHCb et des collisions d'ions lourds. On attendait surtout d'Atlas et de CMS la découverte d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard, comme la supersymétrie. Celle-ci se fait toujours attendre.

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