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Une nouvelle particule fait son apparition au Fermilab

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Les baryons oméga sont des baryons ne contenant ni quark u ni quark d. Prédits théoriquement, ils ont été rarement vus. Les membres de la collaboration CDF du Fermilab viennent d'en observer un contenant deux quarks étranges (s) et un quark beau (b).

L'observation d'une nouvelle particule se traduit par une résonnance bien visible sur ce graphique. Comme le veut la mécanique quantique, une particule instable n'a pas une masse précisément définie et lorsqu'on cherche à la mesurer on trouve des valeurs centrées sur une masse moyenne, ici environ 6 GeV/c2. Crédit : Fermilab.

Alors que la QED, l'électrodynamique quantique relativiste, est la théorie physique la plus précise et la mieux comprise dont dispose actuellement l'humanité, il n'en est pas de même de la théorie des interactions fortes liant les quarks dans les mésons, et plus généralement les baryons comme les protons et les hypérons. Certes, les équations de la chromodynamique quantique, la QCD, sont bien connues et, expérimentalement, tous les quarks qu'elle contient, comme le quark top, ont été découverts. Il est vrai aussi qu'à l'aide de méthodes numériques, on sait grâce à ces équations retrouver très précisément la masse du proton et de certains mésons légers.

Toutefois, plusieurs des particules formées de combinaisons de deux ou trois des six quarks fondamentaux de la QCD n'ont pas encore été observées. C'est particulièrement vrai des baryons oméga ne contenant ni quark u ni quark d même si le premier exemplaire du genre a été le baryon oméga-, observé en 1964 et formé de trois quarks étranges (dits s, pour strange). Il s'agissait d'ailleurs d'un des premiers succès éclatant de la théorie avancée par Murray Gell-Mann.

Les familles de particules avec les quarks u, d, c, t, b et s. Crédit : Fermilab

Un millième de milliardième de seconde pour l'apercevoir

Depuis quelque temps déjà les physiciens du Fermilab utilisant le Tévatron, le plus puissant collisionneur de particules au monde tant que le LHC n'est pas en service, pensaient voir des signes d'un des baryons oméga prédits par le modèle standard, le baryon omégab-, ne contenant que deux quarks étranges (s) et un quark beau (b).

Les détecteur DO et CDF, utilisés par les physiciens des particules pour traquer entre autres le boson de Higgs, semblaient bien détecter des signatures fugaces de la création temporaire de cette particule six fois plus lourde que le proton d'après la théorie et qui se désintégrait en des modes bien particuliers.

Mais ni DO ni CDF ne sont d'accord sur les caractéristiques de ce baryon.
Les derniers résultats de CDF semblent pourtant plus solides et ils sont eux en bon accord avec les prédictions des théoriciens. A partir de l'enregistrement des productions de particules d'un quart de million de milliards de collisions de protons et d'antiprotons, les chercheurs du Fermilab ont isolé 16 événements qui peuvent être associés de façon convaincante à la production du baryon omégab-.

Une partie des baryons prédits par la QCD avec leurs contenus en quarks. Les baryons avec un et deux quarks b sont encore largement inconnus. Crédit : Fermilab

Voyageant presque à la vitesse de la lumière, ce nouveau baryon ne parcourt qu'environ un millimètre dans le détecteur CDF avant de se désintégrer en moyenne en un millième de milliardième de seconde environ. On mesure la performance des détecteurs et des physiciens partis à la recherche de ce genre de particule évanescente !

En août 2008, la collaboration DO avait aussi annoncé avoir vu les produits de désintégrations de ce baryon mais le conflit entre les deux expériences laisse les physiciens perplexes. Du travail reste à faire pour savoir laquelle a raison, celle en accord avec les prédictions des théoriciens ou l'autre ?

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