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On observe peut-être des molécules de mésons à quatre quarks

ActualitéClassé sous :physique , méson , baryon

Deux hadrons récemment découverts avec l'accélérateur KEK japonais ne cadrent pas avec l'image simple de particules toujours composées de deux ou trois quarks. Ces hadrons exotiques pourraient être des états liés de deux mésons standards, à la façon des atomes dans une molécule ou encore des nucléons dans un noyau.

Une vue du détecteur de particules Belle. © Tokio Ohska

Le modèle des quarks a plus de 50 ans et la théorie de la chromodynamique quantique (QCD) qui décrit les interactions entre ces quarks au moyen d'échange de gluons existe depuis près de 40 ans. Malheureusement, les équations de la QCD sont non-linéaires et donc très difficiles à résoudre. Si l'on veut l'utiliser pour calculer la masse du proton par exemple, on est contraint de recourir à des ordinateurs. Le modèle des quarks nous permet de comprendre les nombres quantiques associés aux mésons et aux baryons en supposant que ces nombres résultent de ceux des quarks qui les composent, par paires pour les premiers et par triplets pour les derniers.

Un tableau montrant les six quarks (antiquarks) connus avec leurs charges électriques fractionnaires. © KEK

Mais dire que les protons et neutrons sont constitués de trois quarks, quand les mésons pi le sont de deux, est une simplification abusive. Les interactions fortes sont si intenses entre les quarks des protons et neutrons que, même si l'on peut effectivement reconstruire les propriétés de ces particules avec des quarks et des antiquarks u et d, la nature de ces quarks dans ces particules en est changée. C'est un peu comme se rendre compte que 2 =1+1 mais aussi que 2 =(1-π)+(1+π).

En termes techniques, des effets non perturbatifs doivent intervenir, changeant la nature des états de base des nucléons, qui ne seraient pas des quarks dans leur sens initial. Si l'on peut modéliser les nucléons avec des quarks, il n'est pas évident que ceux-ci soient bel et bien composés de quarks au sens où les atomes sont faits d'électrons et de nucléons.

Les hadrons sont toujours incolores

Malgré tout, le modèle des quarks semble au premier abord dire qu'il ne peut exister dans la nature que des paires ou des triplets de quarks (exception faite des strangelets, des particules hypothétiques constituées d'un état lié d'un nombre égal de quarks u, d et de quarks étranges).

En effet, les quarks possèdent une sorte d'analogue de la charge électrique que l'on appelle la couleur. Un hadron composé de quarks devrait être neutre, c'est-à-dire « blanc » ou « incolore » du point de vue de la charge de couleur. C'est bien le cas pour un méson composé d'un quark et d'un antiquark et pour un baryon composé de trois quarks de couleurs différentes dont la composition donne du « blanc ».

Au KEK, des électrons et des positrons entrant en collision auraient produit des hadrons exotiques nommés Zb. Instables, ces hadrons se désintègrent en mésons pi et en bottomium lequel se désintègre lui-même en muons chargés. © KEK

Or, depuis quelques années, les physiciens des particules croient observer dans des collisions, comme celles de positrons et d'électrons avec l'accélérateur japonais KEK, des hadrons exotiques qui s'expliquent mal avec seulement deux ou trois quarks formant un état lié. Depuis un certain temps, des mésons formés de quatre quarks auraient bel et bien été créés dans des collisions. Les physiciens japonais ont une longue tradition d'excellence en physique des particules avec des chercheurs de tout premier plan, parmi lesquels on peut citer Kazuhiko Nishijima. Venant de leur part, l'annonce de l'observation d'hadrons exotiques doit donc être prise au sérieux.

En l'occurrence, il apparaîtrait transitoirement, dans certaines collisions d'électrons et de positrons, des hadrons lourds instables dénommés Zb(10610) et Zb(10650), en raison de leurs masses respectives de 10.610 et 10.650 MeV, qui se désintègrent ensuite en bottomium et deux mésons π chargés.

Les mésons sont constitués d'un quark et d'un antiquark alors que les baryons contiennent trois quarks. Les mésons exotiques découverts depuis quelques années contiendraient quatre quarks mais il semble plus naturel de les concevoir comme des états moléculaires liés de diquarks. On a représenté à gauche les états qui seraient construits avec des quarks charmés (c) et à droite ceux avec des quarks beaux (b). © KEK

Des molécules formées de mésons ?

Ces nouveaux mésons se comportent comme s'ils étaient constitués d'un quark beau et d'un antiquark beau mais comme ils sont chargés, ils doivent contenir aussi deux autres quarks différents. On a du mal à comprendre l'existence d'un hadron qui serait un tétraquark. D'autres exemples avaient déjà été observés, les hadrons exotiques X(3872), Y(3940), et Z(4430).

Les théoriciens ont cependant de la ressource et certains avancent des explications où l'on évoque des « molécules » de quarks ou encore des diquarks liés. Il se pourrait que certains hadrons avec trois quarks soient en fait plus correctement compréhensibles si l'on suppose qu'ils sont un état lié d'un diquark, un peu analogue à un méson classique, avec un troisième quark. Dans le cas des hadrons Zb, on serait en présence d'un état lié de deux diquarks.

Il s'agit d'une idée ancienne, remontant aux années 1970. De même que les noyaux sont des états liés de nucléons collés ensemble non pas par des échanges de gluons mais des échanges de mésons, les hadrons exotiques seraient tout simplement des états liés de mésons déjà connus.

Nous ne sommes probablement pas encore au bout de nos surprises, même dans le cadre du modèle standard, avec les quarks. D'ailleurs, n'a-t-on pas proposé que des étoiles pouvaient briller en brûlant des quarks ?

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