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Les physiciens découvrent une nouvelle saveur exotique du tétraquark

La collaboration LHCb au CERN a a annoncé la découverte d'une nouvelle particule exotique: un soi-disant «tétraquark». le papier par plus de 800 auteurs n'a pas encore été évalué par d'autres scientifiques dans le cadre d'un processus appelé «examen par les pairs», mais a été présenté lors d'un séminaire. Il atteint également le seuil statistique habituel pour prétendre à la découverte d'une nouvelle particule.

Cette découverte marque une percée majeure dans une recherche de près de 20 ans, réalisée dans des laboratoires de physique des particules du monde entier.

Pour comprendre ce qu'est un tétraquark et pourquoi la découverte est importante, nous devons remonter dans le temps jusqu'en 1964, lorsque la physique des particules était au milieu d'une révolution. La Beatlemania venait d'exploser, la guerre du Vietnam faisait rage et deux jeunes radio-astronomes du New Jersey venaient de découvrir le les preuves les plus solides de la théorie du Big Bang.

De l'autre côté des États-Unis, au California Institute of Technology, et de l'autre côté de l'Atlantique, au CERN en Suisse, deux physiciens des particules publient deux articles indépendants sur le même sujet. Les deux étaient sur la façon de donner un sens à l'énorme nombre de nouvelles particules découvertes au cours des deux dernières décennies.

Beaucoup de physiciens ont eu du mal à accepter que tant de particules élémentaires pourrait exister dans l'univers, dans ce qui était devenu connu sous le nom de «zoo de particules». George Zweig de Caltech et Murray Gell-Mann du CERN avait trouvé la même solution. Et si toutes ces différentes particules étaient vraiment constituées de blocs de construction plus petits et inconnus, de la même manière que les centaines d'éléments du tableau périodique sont constitués de protons, de neutrons et d'électrons? Zweig a appelé ces blocs de construction « as, « tandis que Gell-Mann a choisi le terme que nous utilisons encore aujourd'hui: »quarks. « 

Nous savons maintenant qu'il existe six types différents de quarks – haut, bas, charme, étrange, haut, bas. Ces particules ont également des compagnons d'antimatière à charge opposée, qui peuvent se lier selon des règles simples basées sur des symétries. Une particule composée d'un quark et d'un antiquark est appelée un « méson »; tandis que trois quarks liés ensemble forment des «baryons». Les protons et neutrons familiers qui composent le noyau atomique sont des exemples de baryons.

Ce schéma de classification décrivait magnifiquement le zoo de particules des années 1960. Cependant, même dans son article original, Gell-Mann s'est rendu compte que d'autres combinaisons de quarks pourraient être possibles. Par exemple, deux quarks et deux antiquarks pourraient se coller ensemble pour former un «tétraquark», tandis que quatre quarks et un antiquark feraient un «pentaquark».

Particules exotiques

Avance rapide jusqu'en 2003, lorsque le Belle expérience au laboratoire KEK au Japon a rapporté l'observation d'un nouveau méson, appelé X (3872), qui a montré des propriétés « exotiques » assez différentes des mésons ordinaires.

Au cours des années suivantes, plusieurs nouvelles particules exotiques ont été découvertes et les physiciens ont commencé à réaliser que la plupart de ces particules ne pouvaient être expliquées avec succès que si elles étaient des tétraquarks composés de quatre quarks au lieu de deux. Puis, en 2015, l'expérience LHCb au CERN a découvert le premier particules de pentaquark composé de cinq quarks.

Tous les tétraquarks et pentaquarks qui ont été découverts jusqu'à présent contiennent deux quarks charme, qui sont relativement lourds, et deux ou trois quarks légers – haut, bas ou étrange. Cette configuration particulière est en effet la plus facile à découvrir expérimentalement.

Mais le dernier tétraquark découvert par LHCb, surnommé X (6900), est composé de quatre quarks de charme. Produit lors de collisions de protons à haute énergie au Grand collisionneur de hadrons, le nouveau tétraquark a été observé via sa désintégration en paires de particules bien connues appelées Mésons J / psi, chacun composé d'un quark de charme et d'un antiquark de charme. Cela le rend particulièrement intéressant car il n'est pas seulement composé entièrement de quarks lourds, mais également de quatre quarks du même type – ce qui en fait un spécimen unique pour tester notre compréhension de la façon dont les quarks se lient.

Pour l'instant, il existe deux modèles différents qui pourraient expliquer comment les quarks se lient ensemble: il se pourrait qu'ils soient fortement liés, créant ce que nous appelons un tétraquark compact. Ou il se pourrait que les quarks soient agencés pour former deux mésons, qui sont collés lâchement dans une « molécule ».

Les molécules ordinaires sont constituées d'atomes liés entre eux par la force électromagnétique, qui agit entre les noyaux chargés positivement et les électrons chargés négativement. Mais les quarks d'un méson ou d'un baryon sont connectés via une force différente, la « force forte ». Il est vraiment fascinant que les atomes et les quarks, suivant des règles très différentes, puissent tous deux former des objets complexes très similaires.

La nouvelle particule semble être plus cohérente avec le fait d'être un tétraquark compact plutôt qu'une molécule à deux mésons, ce qui était la meilleure explication des découvertes précédentes. Cela le rend inhabituel, car cela permettra aux physiciens d'étudier en détail ce nouveau mécanisme de liaison. Cela implique également l'existence d'autres tétraquarcs compacts lourds.

Fenêtre sur le micro-cosmos

La forte force opérant entre les quarks obéit à des règles très compliquées – si compliquées, en fait, que généralement la seule façon de calculer ses effets est d'utiliser des approximations et des supercalculateurs.

La nature unique du X (6900) aidera à comprendre comment améliorer la précision de ces approximations, de sorte qu'à l'avenir nous serons en mesure de décrire d'autres mécanismes plus complexes en physique qui ne sont pas à notre portée aujourd'hui.

Depuis la découverte du X (3872), l'étude des particules exotiques a prospéré, avec des centaines de physiciens théoriques et expérimentaux travaillant ensemble pour faire la lumière sur ce nouveau domaine passionnant. La découverte du nouveau tétraquark est un énorme bond en avant et indique qu'il existe encore de nombreuses nouvelles particules exotiques, attendant que quelqu'un les dévoile.

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