Un vue du détecteur CDF, au Fermilab, où ont lieu les collisions de faisceaux de protons et d'antiprotons. Crédit : Fermilab

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Une particule mystérieuse découverte au Fermilab

ActualitéClassé sous :physique , Fermilab , CDF

A l'heure où le LHC s'apprête à partir à la chasse aux particules supersymétriques et aux dimensions spatiales supplémentaires, le Tevatron prouve qu'il y a encore des mystères même parmi les particules de la QCD. Les physiciens de CDF annoncent en effet avoir observé un nouveau méson qui, pour le moment, échappe à toute explication.

Tant que le LHC n'aura pas fourni ses première collisions de protons dans les détecteurs comme Atlas et CMS, le Tevatron joue la star. Les chercheurs du Fermilab pourraient fort bien damer le pion à ceux du Cern en découvrant les premiers indices sérieux de l'existence du boson de Higgs.

Ils annoncent déjà la découverte totalement inattendue d'un nouveau méson dont la composition en quarks semble défier les analyses des spécialistes de la chromodynamique quantique (QCD).

La QCD, théorie des interactions fortes intervenant dans le monde des hadrons, décrit en effet les mésons comme des assemblages de quarks et d'anti-quarks à partir de 6 types (saveurs) de quarks fondamentaux pouvant exister avec trois sortes de charges (couleurs). Le méson J/psi par exemple est formé d'une paire de quark et d'antiquark charmés c et le méson B+ est formé d'un quark u et d'un antiquark b.

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

Des traces indubitables

Pour compliquer encore le tableau, ces assemblages de quarks possèdent des niveaux d'énergies d'excitation comme les électrons dans un atome. Ils peuvent donc être excités et apparaître comme de nouvelles particules avec des masses différentes. On parle de résonances. Lors des collisions, ces particules sont produites avec certaines probabilités et se désexcitent, tout comme un atome émettant des photons, sauf qu'ici il s'agira de mésons plus légers.

Des milliards de collisions sont nécessaires pour avoir une chance de créer ces états dans certains cas et aussi pour les voir se désintégrer selon un canal précis, avec des produits finaux particuliers.

En mesurant les caractéristiques des particules produites par la désintégration d'une seule particule, on peut remonter à sa masse. Ce schéma montre clairement un écart entre les prédictions (en bleu) et les observations (en rouge). Ces groupes de muons et de mésons K plaident en faveur de l'existence d'une nouvelle particule de masse 4.140 MeV environ. Crédit : Fermilab

Les physiciens s'occupant de l'analyse des données provenant des détecteurs CDF et D0 du Tevatron au Fermilab sont des spécialistes de ce genre de sport, aussi peu évident que chercher une aiguille dans une botte de foin.

Ils viennent d'identifier un méson provenant de la désintégration de méson B+ et d'une masse de 4.140 MeV et, selon l'usage, la nouvelle particule Y a été baptisée méson Y(4140) et vient d'être ajoutée à la longue liste des hadrons et résonances hadroniques connus.

Contrairement au cas de l'observation d'un nouveau baryon par le détecteur D0 du Fermilab, aucun théoricien de la QCD n'avait prédit son existence. Même si le fait que cette particule serve d'intermédiaire entre un méson B+ et des mésons J/psi suggère qu'elle contient une paire de quark-antiquark charmés, elle ne se comporte pas selon les règles habituelles de la QCD.

La désintégration des mésons B peut se faire directement dans un méson J/Ψ (psi) et un méson Φ (phi) mais les chercheurs de l'expérience CDF ont observé que certaines désintégrations des mésons B se faisaient selon un état intermédiaire dont la composition en quarks est inconnue : un méson baptisé Y(4140). Crédit : Fermilab

Ce nouveau méson pourrait être lié à un autre, Y(3940), assez énigmatique, découvert par les physiciens japonais de la collaboration Belle du laboratoire KEK au Japon. Pour certains théoriciens, il pourrait s'agir d'un état hybride, avec deux quarks et un gluon.

Le moins que l'on puisse dire est que la perplexité règne. Comme le disent certains chercheurs, la nature tente visiblement de nous dire quelque chose mais nous ne comprenons pas quoi... Peut-être s'agit-il, tout comme pour les observations de 2008 des oscillations de mésons B neutres, d'une nouvelle physique qui pointe le bout de son nez.

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