Des chercheurs du CERN découvrent une nouvelle particule "pentaquark"

L’examen des résultats d’expériences ayant impliqué le collisionneur du CERN a permis la mise en évidence de signes clairs d’un nouveau pentaquark et d’une nouvelle forme de matière.

Sonder l’infiniment petit

Jusqu’à la découverte des hadrons (protons, neutrons, électrons…), on pensait que l’atome représentait le plus petit état possible de la matière. Particules subatomiques fonctionnant à des niveaux d’énergie beaucoup plus élevés et se combinant pour former des hadrons, les quarks et les gluons sont actuellement considérés comme les blocs de construction fondamentaux de l’Univers. La quasi-totalité de la matière observable est composée de quarks up, de quarks down et d’électrons, et chaque proton et neutron contient trois quarks.

Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Physical Review, des physiciens des universités de Pittsburgh et Swansea ont analysé les chiffres d’une récente expérience menée au CERN, le plus puissant collisionneur de particules au monde, et ont trouvé des preuves de l’existence d’états pentaquarks. Essentiellement, les données laissent entrevoir de nouveaux types de matière formés par quatre quarks et un antiquark.

Les hadrons sont expliqués par la théorie de la chromodynamique quantique, un cadre de la physique des hautes énergies proposé pour la première fois dans les années 1970 décrivant les interactions fortes et les forces nucléaires. Cependant, celui-ci laisse de nombreuses questions sur le fonctionnement interne des quarks et la dynamique complexe qui donne naissance aux forces nucléaires sans réponse.

CERN experiment finds new ‘pentaquark’ particle https://t.co/daA62fmgiC
— NewsCBC Live (@newscbc_live) September 27, 2022

Pendant longtemps, le consensus était que l’ensemble des hadrons étaient une combinaison d’un quark et d’un antiquark, ou de trois quarks. Puis, en 2003, des physiciens japonais ont découvert le premier tétraquark. Nommé « X », celui-ci était une combinaison de deux quarks et de deux antiquarks. Peu après, un autre état exotique similaire, baptisé « Y », a été observé, suivi de « Z ». Plus récemment, les tétraquarks détectés au CERN ont été étiquetés « T ».

« Les états pentaquarks doivent exister »

Aujourd’hui, on dénombre plus d’une vingtaine de pentaquarks et de tétraquarks, chacun d’entre eux se révélant unique et possédant des propriétés particulières. Le nouveau pentaquark a été découvert suite à l’examen de la particule lourde appelée Lambda b qui se désintègre en particules plus légères, dont le proton bien connu et le célèbre méson J/psi, découvert en 1974. Selon les auteurs de la nouvelle étude, la désintégration observée ne peut s’expliquer que par l’existence d’un nouveau type de matière.

« Nous avons un modèle qui explique magnifiquement les données et qui, pour la première fois, intègre toutes les contraintes expérimentales », détaillent-ils. « L’explication implique l’existence de plusieurs nouvelles particules composées de quatre quarks et d’un antiquark, appelées pentaquarks. Il n’y a vraiment aucune autre façon d’interpréter les données. Les états pentaquarks doivent exister. »

Si les tétraquarks et les pentaquarks sont aujourd’hui considérés comme « exotiques », il en allait de même pour les protons et les neutrons au début du XXe siècle. Ces particules insaisissables et étranges sont désormais suffisamment nombreuses pour que les scientifiques puissent commencer à les regrouper en fonction de leurs propriétés, à l’instar des éléments chimiques du tableau périodique, ce qui les aidera à percer les secrets la chromodynamique quantique et à mieux comprendre les règles régissant les masses exotiques.

Par Yann Contegat, le 4 octobre 2022