Au cœur du grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus puissant collisionneur de particules au monde, se jouent des phénomènes aussi mystérieux que captivants. Il a produit des hypernoyaux et des antihypernoyaux. Ces particules exotiques, bien que fugaces, pourraient détenir des réponses cruciales sur l’Univers, de la composition de l’espace aux étoiles à neutrons en passant par la matière noire. 

Qu’est-ce qu’un hypernoyau ?

Les hypernoyaux sont des entités extraordinaires, ressemblant à des noyaux atomiques classiques mais contenant un ingrédient spécial : les hyperons. Les hyperons sont des particules étranges, constituées de quarks étranges. Au cœur de cette énigme microscopique se trouve l’hypertriton, le plus célèbre des hypernoyaux, composé d’un proton, d’un neutron et d’un hyperon.

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Les quarks étranges ne sont pas nécessairement plus étranges que les autres membres de ce que l’on appelle parfois le « zoo des particules » au sens traditionnel du terme. Cependant, les scientifiques ont développé une propriété qu’ils ont baptisée « étrangeté » pour l’expliquer lorsqu’ils ont constaté que certaines particules étaient facilement générées lors des collisions de particules, mais se dissipaient remarquablement lentement. 

Il est apparu que les quarks étranges conféraient de l’étrangeté aux particules dont ils font partie, y compris les hyperons, en plus de leurs propriétés typiques, notamment une charge égale à un tiers de celle d’un électron.

Comment le LHC a-t-il créé ces particules ?

L’une des expériences du LHC, appelée LHCb, a pour objectif d’étudier les propriétés des quarks étranges et des autres quarks lourds. C’est dans cette expérience que le Dr Hendrik Jage, membre du groupe LHC beauty (LHCb), a annoncé la découverte d’une centaine d’hypertritons et d’antihypertritons lors d’une conférence à Hambourg dans les données du Run 2 du LHC recueillies entre 2016 et 2018.

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Il a expliqué que le LHCb n’était pas optimisé pour ce type de recherche, mais qu’ils ont pu utiliser une méthode indirecte pour identifier les hypertritons. Ces derniers ont duré moins d’un milliardième de seconde avant de se transformer en noyaux d’hélium et en pions. Ces particules n’ont existé que pendant une fraction de seconde avant de se désintégrer à leur tour. Ce résultat, bien que modeste en matière de quantité, ouvre la porte à une compréhension plus profonde de ces particules mystérieuses.

En outre, Jage a revendiqué la création d’une particule d’antimatière connue sous le nom d’antihypertriton, dont la composition est comparable à celle d’un hypertriton, mais qui est composée d’un antiproton, d’un antineutron et de l’équivalent antimatière d’un hyperon. En outre, ce dernier se dégrade en un noyau d’antihélium. Même si les antihypertritons ont une durée de vie limitée, les physiciens des particules sont parvenus à déduire la présence de particules à partir de leurs sous-produits à durée de vie plus longue.

Pourquoi ces particules sont-elles importantes ?

Les hypertritons et les antihypertritons sont des particules très rares et difficiles à détecter, mais elles pourraient avoir un rôle important dans l’astrophysique et la cosmologie. En effet, les astronomes ont détecté dans l’espace des rayons cosmiques composés d’antihélium-3, un antinoyau formé de deux antiprotons et d’un antineutron. Or, une hypothèse est que cet antihélium provienne de la désintégration d’antihypertritons, qui seraient eux-mêmes produits par des collisions de matière noire. 

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La matière noire est une forme hypothétique de matière qui constitue environ 85 % de la masse de l’Univers, mais qui n’interagit pas avec la lumière et reste donc invisible. Pour mieux comprendre ce phénomène, il est crucial de déterminer quelle quantité d’antihélium-3 provient d’autres sources, ce qui nécessite une compréhension approfondie de l’antihypertriton, la source potentielle de l’antihélium-3.

Par ailleurs, les hypertritons et les antihypertritons pourraient jouer un rôle crucial dans la nature des étoiles à neutrons, des objets célestes très denses formés par l’effondrement gravitationnel d’étoiles massives. Les étoiles à neutrons sont principalement composées de neutrons, mais certains modèles suggèrent qu’elles pourraient aussi contenir des hyperons, voire des hypernoyaux, dans leur cœur. Le LHC pourrait donc être un moyen de reproduire les conditions extrêmes qui règnent dans ces étoiles et d’étudier les propriétés des hypernoyaux.