Une nouvelle particule observée pour la première fois au CERN

Dans le cadre de l’expérience LHCb (Large Hadron Collider beauty), les physiciens du centre ont observé pour la première fois un particule inconnue composée de quatre « quarks charm » (également appelés quarks c).

Afin de bien comprendre l’objet d’étude de ce détecteur LHCb, un petit rappel de quelques notions n’est peut-être pas superflu.

À la recherche des tétraquarks et pentaquarks

En préambule, rappelons donc qu’un quark est une particule élémentaire régie par l'interaction forte. On dénombre six sortes de quarks : le quark down (d), le quark up (u), le quark strange (s), le quark charm (c), le quark bottom ou beauty (b) et le quark top ou truth (t). Généralement, les quarks s’agglomèrent par groupes de deux ou trois afin de former un hadron, une particule composite. Concrètement, les protons ou les neutrons sont des hadrons.

Cependant, certains scientifiques pensent qu’il existe des hadrons à quatre, voire cinq quarks. Le LHCb vise à détecter ces hadrons exotiques appelés tétraquarks et pentaquarks. Étudier ces formes complexes permettrait en effet aux scientifiques de mieux appréhender le phénomène d’interaction forte et la manière dont les quarks se lient entre eux.

Le LHCb utilisé pour ces expériences est un détecteur installé dans le LHC. Comme le précise le CERN, il est nettement plus petit que le LHC. En effet, si ce dernier a la forme d’un anneau de 27 kilomètres de long, le détecteur LHCb est « long de 21 mètres, haut de 10 mètres et large de 13 mètres » pour un poids de 5 600 tonnes. Installé à 100 mètres de profondeur vers la commune de Ferney-Voltaire en France, il «est constitué d’un spectromètre à petit angle et de détecteurs planaires ». Sa mission : intercepter les quarks b produits par le LHC.

Un véritable tétraquark ou deux paires de quarks ?

Ce détecteur LHCb a donc détecté une particule inconnue composée de quatre « quarks charm ». Pour le dénicher, les scientifiques du LHCb ont étudié l’ensemble des données récoltées au cours de deux périodes : 2009 à 2013 et 2015 à 2018 à la recherche d’un excès de collisions. En l’état, on ne sait pas encore s’il s’agit d’un véritable tétraquark, autrement dit d’un hadron composé de quatre quarks fortement liés, ou de deux paires de quarks faiblement liés entre eux comme c’est le cas dans certaines molécules.

Giovanni Passaleva, ancien porte-parole du projet LHCbn, explique : « Les particules composées de quatre quarks sont déjà exotiques, et celle que nous venons de découvrir est la première à être composée de quatre quarks lourds du même type, à savoir deux quarks charm et deux antiquarks charm. Jusqu'à présent, la collaboration LHCb et d'autres expériences n'avaient observé que des tétraquarks avec deux quarks lourds au maximum et aucun avec plus de deux quarks du même type ».

Chris Parkes, le nouveau porte-parole, partage cet enthousiasme : « La découverte d'aujourd'hui ouvre un autre chapitre passionnant de la recherche scientifique. Cette particule est un cas extrême : il s'agit d'un hadron exotique, contenant quatre quarks plutôt que les deux ou trois des particules de matière conventionnelles, et le premier à contenir des quarks lourds. L'étude d'un système extrême permet aux scientifiques de tester nos théories. Grâce à l'étude de cette particule, et dans l'espoir de découvrir d'autres particules de cette classe dans le futur, nous testerons notre théorie sur la façon dont les quarks se combinent, qui régit également les protons et les neutrons ».

Enfin, rappelons qu’au cours de la dernière décennie, le LHC a déjà permis aux chercheurs de découvrir bon nombre de particules. La plus célèbre d’entre elles est bien sûr le boson de Higgs, découvert en 2012 par François Englert et Peter Higgs, qui a valu aux deux hommes d’être couronnés du prix Nobel de physique l’année suivante. En 2016, le LHC détectait une mystérieuse particule, décrite à l’époque comme une possible « particule liée à la matière noire ou encore, d'un second boson de Higgs plus massif que le premier ». On peut donc désormais ajouter 2020 à ce calendrier.

Source : Phys.org