Les mésons sont des particules composées d’un quark et d’un antiquark. Les physiciens des particules de la collaboration CLEO viennent d’observer une désintégration rare d’un d’entre eux, un méson charmé. C’est une désintégration particulièrement remarquable car elle donne un proton et un anti-neutron.
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A l'origine, le méson était une particule moins lourde qu'un protonproton, proposée par Ideki Yukawa pour expliquer les forces nucléaires fortes. Elle lie les neutrons et les protons dans le noyau, expliquant pourquoi il n'éclate pas sous la force des répulsions électrostatiquesélectrostatiques entre protons. A partir des années 50, d'autres types de mésonsmésons furent découverts dont certains étaient plus lourds que les protons, à la grande surprise des théoriciens.

C'est la théorie des quarksquarks de Gell-Mann, Zweig et Ne'eman, et surtout la chromodynamique quantiquechromodynamique quantique (QCD), découverte au début des années 70, qui vont permettre de comprendre ces observations. On réalisa alors que  tous les hadronshadrons observés en accélérateurs n'étaient que des états liés de 2 ou 3 quarks, existants sous 6 types possibles, et portant l'analogue d'une charge électrique, la charge dite de couleurcouleur.

Aujourd'hui, les physiciensphysiciens continuent d'explorer le monde hadronique et la collaboration CLEO utilise le Cornell Electron Storage Ring (CESR) pour faire entrer en collision des électronsélectrons et des anti-électrons, afin de produire des mésons D. Il s'agit de mésons comportant un des 6 types de quarks connu sous le nom de quark charmé. La collaboration CLEO étudie spécifiquement la physiquephysique des hadrons charmés, c'est-à-dire possédant au moins un quark de ce type.

Le <em>Cornell Electron Storage Ring accelerator</em> avec les faisceaux d'électrons e<sup>-</sup> et de positrons e<sup>+ </sup>produisant par collisions des mésons D dans CLEO. Crédit : <em>Cornell University</em>

Le Cornell Electron Storage Ring accelerator avec les faisceaux d'électrons e- et de positrons e+ produisant par collisions des mésons D dans CLEO. Crédit : Cornell University

Un phénomène prédit il y a trente ans

Les mésons Dmésons D créés par les collisions des faisceaux, possédant des énergiesénergies moyennes de 3 à 5 GeVGeV par particule, n'existent que de façon extraordinairement fugace car, en moins d'un millième de milliardième de seconde, ils se désintègrent selon différents modes en donnant d'autres hadrons et même des leptonsleptons.

Le physicien John Yelton est parvenu, avec l'aide de ses collègues, à observer ce que la théorie prédisait depuis plus de 30 ans mais que personne n'était arriver à faire jusque-là : la désintégration de certains mésons D en un proton et un anti-neutron (l'anti-particuleanti-particule du neutronneutron, neutre comme lui mais formée de trois anti-quarks).

C'est une performance remarquable car, sur des millions de millions de collisions différentes, seulement 13 réactions avec ces produits de désintégration ont été observées. Une fois de plus le modèle standardmodèle standard n'a pas été pris en défaut par les expériences, espérons que cela va bientôt changer avec le LHC et Atlas.