Le LHC, le plus grand accélérateur de particules au monde, ne va pas tarder à entrer à nouveau en service après plusieurs upgrades. Les physiciens des particules font tout de même savoir que les données collectées dans les précédentes expériences ont finalement permis de découvrir 59 nouveaux hadrons composés de quarks.

Le CernCern a mis récemment en ligne un communiqué qui en a certainement surpris plus d'un. Il fait un bilan sur le nombre de particules découvertes avec les collisions de protonsprotons au LHCLHC dans des détecteurs géants comme Atlas, CMS et surtout LHCb (Alice sert surtout à explorer la physiquephysique du quagma, le plasma de quarks et de gluons, avec des collisions d'ionsions lourds).

On pouvait penser qu'il y en avait une dizaine tout au plus, avec pour commencer bien évidemment le mythique bosonboson de Brout-Englert-Higgs qui a valu le prix Nobel de physique en 2013 aux principaux théoriciens qui ont postulé son existence et qui sont encore vivants. Il y a eu également des annonces portant sur la mise en évidence d'hadrons exotiquesexotiques contenant plus de trois quarksquarks, en l'occurrence des tétraquarkstétraquarks et des pentaquarks. Mais, en fait, ce ne sont pas moins de 59 nouveaux hadronshadrons qui ont été découverts et les derniers sont mentionnés dans un article en accès libre sur arXiv, déposé par les membres de la collaboration LHCb.

Murray Gell-Mann, que l'on voit ici dans la caverne d'Atlas en 2012, a proposé le modèle des quarks et le nom « quark » en 1964 ; il a reçu le prix Nobel de physique en 1969. © Maximilien Brice, Cern
Murray Gell-Mann, que l'on voit ici dans la caverne d'Atlas en 2012, a proposé le modèle des quarks et le nom « quark » en 1964 ; il a reçu le prix Nobel de physique en 1969. © Maximilien Brice, Cern

Disons-le tout de suite, il ne s'agit aucunement de particules élémentairesparticules élémentaires et elles sont toutes constituées de particules du modèle standardmodèle standard, à savoir les quarks et les gluonsgluons. Les quarks ont été découverts théoriquement d'abord en 1964 par Murray Gell-Mann et George Zweig, comme Futura l'expliquait en détail dans un article célébrant les 50 ans de cette percée en physique théorique. Les gluons, les cousins des photonsphotons décrivant les forces nucléaires fortes entre ces quarks et dont l'énergieénergie est responsable de l'essentiel des massesmasses des protons, des neutronsneutrons, et plus généralement de tous les hadrons contenant des quarks ont, eux, été postulés théoriquement en 1972, par Harald Fritzsch et Murray Gell-Mann. La première preuve de leur existence a, elle, été fournie en 1979.

Il y a plusieurs subtilités en ce qui concerne les hadrons (le terme a été forgé par le physicien russe Lev Okun en 1962). En fait, s'il est incontestable qu'ils se forment par associations de quarks dont ils héritent des charges électriques et d'autres nombres quantiquesnombres quantiques « ésotériques » pouvant se conserver comme l'étrangeté, beaucoup d'hadrons ne doivent pas être vus comme les équivalents des atomesatomes composés d'électronsélectrons et de noyaux. Du point de vue des équationséquations quantiques, des effets non linéaires liés aux équations de la théorie des gluons, la QCDQCD, peuvent changer la nature des états quantiques qui sont pertinents pour décrire les quarks à très petites distances car, paradoxalement, les forces entre les quarks sont d'autant plus faibles qu'ils sont proches les uns les autres, contrairement à ce qui se passe avec la force électromagnétique.

Tableau complet des nouveaux hadrons découverts au LHC, répartis en fonction de l’année de découverte et de la masse de la particule. Les couleurs et les formes correspondent au nombre de quarks des différents états. © LHCb Collaboration
Tableau complet des nouveaux hadrons découverts au LHC, répartis en fonction de l’année de découverte et de la masse de la particule. Les couleurs et les formes correspondent au nombre de quarks des différents états. © LHCb Collaboration

Des fenêtres ouvertes sur une nouvelle physique ?

On peut toutefois continuer à décrire certains des hadrons découverts avec le LHC comme l'équivalent d'état excitéétat excité des atomes avec des électrons sur des niveaux d'énergie plus élevés et dotant les atomes de moments cinétiquesmoments cinétiques, là aussi plus importants. Plus généralement, on parle pour ces « nouvelles » particules de résonancerésonance mais le concept est là aussi impossible à saisir correctement sans soulever le capot des équations de la mécanique quantique et mettre les mains dans le cambouis. Pour faire simple, à certaines énergies, du fait du caractère ondulatoire de la matièrematière, il apparaît une brusque augmentation dans les taux de réaction entre certaines particules, de la même façon qu'en se baladant sur les fréquencesfréquences radio on peut brutalement tomber sur une région où se trouve une station. Cette résonance peut être interprétée en physique des particules, ou en physique nucléaire, comme la création transitoire d'un état excité ou d'une vraie nouvelle particule qui ne tarde pas à se désintégrer après sa formation. Pour les courageux qui voudraient creuser ces questions, ils peuvent commencer doucement avec le cours que le prix Nobel Richard Feynman a consacré à la notion de résonance en physique, puis survoler certains passages du traité d'un autre prix Nobel, Emilio Segrè.

Les quarks composant les 59 nouveaux hadrons découverts ne relèvent pas d'une nouvelle physique, donc ce n'est pas comme si l'on avait découvert des particules supersymétriques par exemple. Mais il n'en reste pas moins que certains des hadrons découverts, notamment des mésons Bmésons B, ne se comportent pas comme attendu et il se pourrait que les anomaliesanomalies découvertes soient réelles et soient effectivement la pointe émergée d'une nouvelle physique que le HL-LHC révélera au cours de la décennie à venir.

Une section des anneaux de stockage à intersections (ISR), le premier collisionneur d'hadrons jamais construit. © Cern
Une section des anneaux de stockage à intersections (ISR), le premier collisionneur d'hadrons jamais construit. © Cern

Ce qui est certain, c'est que toutes ces découvertes n'ont été rendues possible qu'en montant à des énergies de plus en plus élevées et que pour cela, il a fallu passer des accélérateurs de particules accélérant des faisceaux pour les envoyer sur des cibles fixes à des collisionneurs entre deux faisceaux de particules, ce qui permet de profiter pleinement de l'énergie disponible.

L'idée de ce type de collisionneur est ancienne puisqu'elle remonte à l'ingénieur norvégien Rolf Widerøe en 1943. Mais il a fallu attendre le 27 janvier 1971 pour que le Cern réalise les toutes premières collisions de protons du monde, grâce à la technologie des anneaux de stockage à intersections (ISR).