Une toute nouvelle particule exotique vient d’être identifiée au CERN : le tétraquark

L’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) a récemment annoncé la découverte d’une nouvelle particule physique appelée « tétraquark », qui pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre comme les protons et les neutrons se forment.

De bien mystérieuses particules élémentaires

Décrite dans un document consultable sur le serveur de pré-publication ArXiv, la découverte de ce tétraquark créé à partir de quatre quarks charmés (l’un des six types ou « saveurs » des quarks) constitue une percée majeure dans un processus de recherche démarré il y a plusieurs décennies. Fruits de la collaboration LHCb au CERN, plus grand centre de physique des particules du monde situé près de Genève, ces travaux ayant impliqué plus de 800 chercheurs ont été présentés à l’occasion d’un récent séminaire et devraient prochainement faire l’objet d’une évaluation par des pairs.

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En raison du caractère récent de cette découverte, les physiciens savent globalement peu de choses au sujet du tétraquark lui-même. Cependant, ce dernier devrait les aider à mieux comprendre comment les quarks se lient entre eux pour former des particules telles que des protons ou des neutrons.

Les quarks sont des particules élémentaires, c’est-à-dire, pour autant qu’on puisse le vérifier, à la base de toute chose. Jusqu’à présent, les chercheurs les ont observés se rassembler en groupes de deux ou trois pour former des hadrons (particules composites), et ont également émis l’hypothèse qu’il existait des hadrons de quatre et cinq quarks.

« 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 charmés et deux antiquarks charmés », explique Giovanni Passaleva, porte-parole de la collaboration LHCb. « Jusqu’à présent, le LHCb et d’autres expériences n’avaient permis d’observer que des tétraquarks avec deux quarks lourds au maximum et aucun avec plus de deux quarks du même type. »

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Un « laboratoire » idéal pour étudier l’interaction forte

Pour les chercheurs, ces particules inhabituelles constituent un « laboratoire » idéal pour étudier l’interaction forte, qui représente l’une des quatre forces fondamentales connues de la nature et constitue ce que lie les particules élémentaires entre elles pour former des atomes et de la matière. Par conséquent, mieux l’appréhender pourrait permettre aux physiciens de mieux comprendre quelles particules devraient et ne devraient pas pouvoir se former dans des conditions normales.

De ce point de vue, le nouveau tétraquark se révèle idéal, car il s’agit d’une particule relativement simple permettant aux scientifiques de tester leurs modèles actuels. Bien que les chercheurs ignorent encore s’il s’agit ou non d’un « véritable tétraquark », c’est-à-dire s’il s’agit d’une particule de quatre quarks ou de deux particules de deux quarks interagissant à l’état de molécule.

Les scientifiques ont découvert ce tétraquark en recherchant un excès de collisions par rapport à une valeur de fond connue (prenant la forme de pics ou de bosses) dans les enregistrements de la première et de la seconde série du Grand collisionneur de hadrons (plus puissant accélérateur de particules au monde), respectivement obtenues entre 2009 et 2013 et entre 2015 et 2018.

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Cette bosse a une signification statistique de plus de cinq écarts-types, ce qui constitue le seuil habituel pour prétendre à la découverte d’une nouvelle particule, expliquent les auteurs de l’étude. Et il se trouve que cette dernière correspond également à la masse prévue des particules à quatre quarks charmés.