Une partie de l'installation Totem dans le tunnel du LHC à 220 mètres en aval de l'expérience CMS. © M. Brice, Cern
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Le Cern découvre une particule faite de gluons, la colle des quarks

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[EN VIDÉO] Pourquoi le boson de Higgs est-il si important ?  Pourquoi le boson de Higgs est-il si important pour les physiciens ? C'est la question à laquelle répond Nathalie Besson, du CEA, qui étudie les bosons W et Z avec le détecteur Atlas, au LHC. Cette particule n'était qu'une prédiction et sa découverte a validé le modèle standard, la théorie de base de la physique des particules, qui fonctionne très bien mais ne prédit pas tout, par exemple la matière et l'énergie noires. Consolidé par la découverte du boson de Higgs, il pourra être mieux mis à l'épreuve pour, peut-être, emmener la physique vers de nouveaux chemins. 

En 1979, était obtenue la première preuve convaincante de l'existence des gluons, les cousins des photons responsables des forces nucléaires fortes liant les quarks dans les protons et les neutrons. Aujourd'hui, en 2021, le Cern et le Fermilab annoncent qu'ils ont enfin une preuve solide de l'existence de particules faites uniquement de gluons.

Avant la mise en service du LHC, le plus grand collisionneur d'hadrons était états-unien. Il s'appelait le Tevatron et il était équipé de deux détecteurs géants, CDF et DØ. Les premiers faisceaux de particules y avaient commencé à circuler en 1983 alors que le directeur du Fermilab, un cousin du Cern, était encore le prix Nobel de physique Leon Lederman. Parmi les découvertes du Tevatron, la plus importante est sans aucun doute celle du quark top, mais grâce à ses faisceaux de protons et d'antiprotons il était aussi sur la piste du boson de Brout-Englert-Higgs et des particules de matière noire.

On pourrait croire que son odyssée a pris fin le jour de sa fermeture le 30 septembre 2011 mais la mise en ligne d'un article conjoint de chercheurs du Fermilab et du Cern, et que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv, prouve le contraire. Les physiciens y annoncent qu'en combinant des données collectées avec le Tevatron et le LHC ils ont pu confirmer l'existence d'une particule prédite il y a presque 50 ans, dès lors que l'existence des quarks a été admise et que l'on a disposé de la théorie des forces nucléaires fortes entre ces quarks, la QCD.

Comme Futura l'expliquait plus en détail dans le précédent article ci-dessous, la théorie de la chromodynamique quantique postulait l'existence de cousins des photons, les gluons, et d'un équivalent de la charge électrique pour les forces nucléaires fortes, la couleur. En plus de porter des charges électriques presque conventionnelles (respectivement 2/3 et 1/3 de la charge de l'électron qui est insensible aux forces nucléaires fortes parce que non « colorée » ), les quarks pouvaient se trouver dans trois états possibles de couleur.

La force la plus puissante de l'Univers est la force nucléaire forte. Elle régit le comportement des quarks et des gluons à l'intérieur des protons et des neutrons. Le nom de la théorie, qui régit cette force, est la chromodynamique quantique, ou QCD. Dans cette vidéo, le Dr Don Lincoln du Fermilab explique les subtilités de cette composante dominante du modèle standard. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

Les gluons, des sortes de photons chargés

Toutefois, les gluons ont une particularité essentielle qui les distingue de leurs cousins les quanta de lumière, ils portent aussi une couleur de sorte que les gluons s'attirent les uns les autres en échangeant des gluons. On aurait une situation similaire si les photons étaient chargés, ce qui est peut-être le cas mais les expériences montrent que cette charge doit être une fraction tellement petite de celle de l'électron (moins de 10-46 fois la charge élémentaire e) qu'en pratique dans toutes les situations sondées actuellement par la physique, les photons se comportent comme s'ils étaient neutres.

Il résulte de tout cela, pour faire simple, que les gluons peuvent former des états liés et on avait même fini par trouver des indications indirectes de l'existence de ce qui a été appelé en anglais des « glueballs » quasi littéralement des « boules de glu », constituées de deux gluons. Mais, dès le début des années 1970, les théoriciens savaient que des états liés de trois gluons, donc un nombre impair (en anglais, on dit even pour pair et odd pour impair) de bosons, étaient aussi prédits par la QCD. De sorte que plus généralement, le terme glueball renvoie à un état lié de plusieurs gluons.

On n'avait pas encore de preuve vraiment convaincante de l'existence des glueballs mais si on en croit l'article conjoint du Cern et du Fermilab, les physiciens auraient bien réussi à passer le seuil mythique des 5 sigma pour une découverte comme ils disent dans leur jargon. Découverte qui est celle d'une nouvelle particule hadronique appelée odderon en anglais, une évidente référence au fait qu'elle serait constituée d'un nombre impair de gluons, en l'occurrence 3.

À l'occasion de la Nuit européenne des chercheurs, en 2010, cette vidéo a montré la salle de contrôle de l'expérience Totem au Cern. © Cern

Une combinaison des mesures du Tevatron et du LHC

Le Tevatron ne fonctionne plus et le LHC n'est pas encore reparti à la chasse à une nouvelle physique, mais les données collectées dans le passé sont bien là et elles n'ont pas encore livré tous leurs secrets. En fait, pour en faire une découverte avec des créations rares de particules dans des collisions, il faut accumuler un nombre suffisamment grand de ces collisions. C'est un peu comme lorsque l'on veut faire une bonne photo avec peu de lumière, il faut un temps de pose suffisamment long pour collecter assez de photons pour obtenir une image nette permettant d'identifier ce qui se trouve sur la photo.

Les physiciens ont donc combiné les enregistrements des collisions de protons et d'antiprotons dans le détecteur DØ du Fermilab et de l'expérience au LHC baptiséeTOTal Elastic and diffractive cross section Measurement(Totem).

Cela leur a donc permis de faire la découverte de l'odderon. Comme l'explique dans un communiqué du Cern Simone Giani, porte-parole de Totem : « Ce résultat touche aux phénomènes les plus profonds de la théorie de la chromodynamique quantique, montrant en particulier que les gluons interagissent entre eux et qu'un ensemble impair de gluons a la capacité d'être « incolore », recelant ainsi l'interaction forte. Cette étude présente une particularité à relever : les résultats sont produits par la combinaison de données du LHC et du Tevatron à des énergies différentes. »

Certes, il ne s'agit pas d'un résultat relevant d'une nouvelle physique mais tout progrès dans le monde des hadrons peut aider à la révéler si justement des anomalies découvertes dans ces particules n'ont pas d'explication en matière de quarks, de gluons, et de la façon dont ils peuvent se comporter dans les hadrons.

  • Les gluons sont des cousins des photons qui sont responsables des forces nucléaires fortes entre les quarks, des particules élémentaires composant les hadrons, et en particulier les protons et les neutrons.
  • Ils portent un équivalent de la charge électrique sous trois formes que l'on appelle « couleur », en l'occurrence bleue, verte, rouge, de sorte qu'ils s'attirent. Les quarks portent aussi ces charges de couleur, et c'est pour cette raison que la théorie des forces fortes entre les quarks a été appelée la chromodynamique quantique, par analogie avec l'électrodynamique quantique décrivant photons et particules électriques chargées.
  • Les gluons sont rayonnés par les quarks et ils peuvent eux-mêmes en produire car ils possèdent également une charge de couleur, ce qui veut dire qu'ils peuvent former des états liés que l'on appelle des « boules de glu ». L'odderon en est un exemple avec trois gluons.
  • En 1979, des triplets de jets de hadrons impliqués par l'existence des gluons, et qui avaient été prédits en 1976 par John Ellis, Mary Gaillard et Graham Ross, ont été observés dans des collisions d'électrons et de positons générant des paires de quarks et d'antiquarks dans le détecteur Tasso du laboratoire allemand Desy.
Pour en savoir plus

Les 40 ans des gluons, la colle des quarks

Article de Laurent Sacco publié le 18/06/2019

En 1979, était obtenue la première preuve convaincante de l'existence des gluons, les cousins des photons responsables des forces nucléaires fortes entre les quarks dans les protons et les neutrons. Elle accréditait le modèle standard actuel de la physique des particules qui venait tout juste d'être découvert théoriquement et commençait à accumuler les succès.

Le 18 juin 1979, lors d'une conférence donnée en Norvège à Bergen, une équipe de physiciens des particules travaillant au Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron : synchrotron allemand à électrons) - un important centre de recherche en Europe en physique des particules et en rayonnement synchrotron - faisait savoir qu'une des prédictions du tout jeune modèle standard en physique des particules venait d'être vérifié. Les chercheurs annonçaient en effet la première observation de ce qui est désormais connu comme un évènement avec trois jets hadroniques dans l'expérience Tasso. Celle-ci mesurait à l'aide d'un détecteur, héritier de la fameuse chambre proportionnelle multifilaire du prix Nobel de physique français Georges Charpak, les produits des collisions de faisceaux de positrons et d'électrons accélérés par le Positron-Electron Tandem Ring Accelerator (Petra).

Ce type d'évènement n'était rien de moins que la confirmation de l'existence des gluons prédite, en 1972, par Harald Fritzsch et Murray Gell-Mann lorsqu'ils ont publié la même année les équations d'une théorie ayant permis aux physiciens de pénétrer profondément dans le monde des hadrons. C'est-à-dire celui des neutrons et des protons en premier lieu, mais aussi des mésons et autres baryons dont la structure en quarks - des particules toujours considérées comme élémentaires aujourd'hui - avait été découverte en 1964 par Murray Gell-Mann, collègue de Richard Feynman à Caltech, et indépendamment par George Zweig, alors en poste au Cern, et tout jeune thésard de Gell-Mann, le prix Nobel de physique 1969 qui nous a quittés le mois dernier.

Dans cette vidéo, le Dr Don Lincoln du Fermilab explique l'origine de la notion de couleur en théorie des quarks, en complément à la vidéo précédente où il parle de la théorie de la chromodynamique quantique décrivant la force nucléaire forte entre ces quarks dans les hadrons. Traduction en cliquant sur le rectangle blanc en bas à droite et sur l'écrou, ensuite sur « Sous-titres » et sur « Traduire automatiquement ». © Fermilab

La QCD et les gluons

Gell-Mann faisait partie des physiciens des particules qui, au cours des années 1960, avait postulé l'existence d'un équivalent de la charge électrique pour les quarks qu'il avait baptisé « couleur ». Avec Fritzsch, il s'était donc rendu compte que l'on pouvait construire un équivalent de la théorie de l'électrodynamique quantique avec cette charge qui se déclinait en trois versions : verte, rouge et bleue. On disposait donc d'une théorie, baptisée encore une fois par Gell-Mann (en 1976), la chromodynamique quantique (QCD ou Quantum Chromodynamics en anglais). Selon cette théorie des champs de Yang-Mills basée sur des symétries de groupes, comme l'est celle de la force électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg, il devait alors exister huit cousins du photon qui étaient également porteurs de ces charges alors que le photon est électriquement neutre.

Ces gluons étaient responsables de forces nucléaires fortes, bien plus intenses que la force électrique, « collant » les quarks dans les hadrons et les empêchant d'exister à l'état libre dans des conditions normales de pression et de température. Les gluons étant colorés, ils se confinaient eux-mêmes par des effets non-linéaires avec des forces croissant avec la séparation, contrairement aux forces électriques et gravitationnelles. Pour cette raison, on n'observait pas non plus de gluons à l'état libre.

La théoricienne Mary Gaillard en discussion avec le prix Nobel de physique Murray Gell-Mann en 1972. © Cern PhotoLab

Mais, en 1976, John Ellis, Mary Gaillard et Graham Ross comprennent rapidement en se basant sur une idée qu'avait eu Ellis, tout en marchant du pont de la cafétéria du Cern à son bureau et tournant au coin de la bibliothèque, que la théorie des gluons devait avoir une conséquence permettant de prouver sa pertinence, comme les trois physiciens allaient le montrer dans un article.

Si l'on faisait entrer en collision un électron avec son antiparticule, un positron, une paire de quarks et d'antiquarks devait parfois résulter de l'annihilation de ces particules sous forme d'un photon produisant lui-même cette nouvelle paire. S'éloignant à grande vitesse, ces quarks se mettaient alors à rayonner copieusement des gluons par effet de freinage appelé bremsstrahlung et analogue à son cousin en électrodynamique quantique, produisant trois gerbes de nouveaux quarks et gluons s'associant pour donner des hadrons. On devait donc s'attendre non pas à deux mais trois jets de hadrons.

Cette spectaculaire prédiction a donc été vérifiée il y a 40 ans et elle a contribué à crédibiliser la QCD et son association avec le modèle électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg qui lui prédisait l'existence des bosons W, Z et bien sûr le fameux boson de Brout-Englert-Higgs.

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