Première détection de l’insaisissable particule X dans un plasma quarks-gluons

Découverte il y a près de deux décennies par une équipe japonaise, la mystérieuse particule X a été détectée pour la première fois dans un plasma quarks-gluons, ou « soupe primordiale de l’Univers », produit au CERN.

« Ce n’est que le début de l’histoire »

On estime que peu après le Big Bang, l’Univers primitif était rempli de plasma quarks-gluons brûlant. Quelques microsecondes plus tard, celui-ci s’est refroidi pour former les éléments constitutifs de l’ensemble de la matière présente dans le cosmos. Mais durant le processus, une fraction de ces quarks et gluons sont entrés en collision de manière aléatoire pour former des particules X à courte durée de vie. Extrêmement rares, celles-ci ont enfin été détectées dans le plasma quarks-gluons du Grand collisionneur de hadrons (LHC) par des chercheurs du MIT.

À l’aide de techniques d’apprentissage automatique, les physiciens ont analysé plus de 13 milliards de collisions d’ions lourds, ayant chacun généré des dizaines de milliers de particules chargées. Dans cette soupe de particules ultra-denses et de haute énergie, l’équipe a identifié 100 particules X (3872), chiffre faisant référence à leur masse individuelle.

« Ce n’est que le début de l’histoire », souligne Yen-Jie Lee, auteur principal de l’étude, parue dans la revue Physical Review Letters. « Nous avons montré que nous pouvions trouver un signal. Dans les prochaines années, nous voulons utiliser le plasma quarks-gluons pour sonder la structure interne de la particule X, ce qui pourrait changer notre vision du type de matière que l’Univers peut produire. »

Des particules identifiées grâce à un puissant algorithme d’apprentissage automatique

Identifiée pour la première fois en 2003 dans un collisionneur de particules japonais, X (3872) se désintègre trop rapidement pour que les scientifiques puissent étudier sa structure en détail. Toutefois, on estime que celle-ci, ainsi que d’autres particules exotiques pourraient être plus facilement repérables au sein d’un plasma quarks-gluons.

Suite à leur formation dans cette « soupe primordiale », les particules X se décomposent rapidement en particules « filles » qui se dispersent. Après avoir identifié les variables clés définissant leur modèle de désintégration, les chercheurs ont entraîné un algorithme d’apprentissage automatique à les reconnaître, puis l’ont utilisé pour analyser les données des expériences de collision du LHC.

Selon l’équipe, il était presque inconcevable de pouvoir identifier cent de ces particules à partir d’un ensemble de données aussi massif. À l’avenir, les chercheurs prévoient d’en collecter davantage afin d’établir précisément la structure interne de la particule X.

Par Yann Contegat, le 29 janvier 2022