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Un Tetraquark pour Muster Mark!

Le Saint Graal de toute expérience de physique des particules est la découverte d'une nouvelle particule. Trouver un nouveau constituant de la matière peut vous gagner une gloire éternelle dans l'histoire de la physique. Malheureusement, depuis que la dernière pièce manquante du modèle standard, le boson de Higgs, a été découverte en 2012, et sans toujours aucune idée de la nature de la matière noire et de l'énergie noire, il n'y a pas beaucoup d'espoir de tomber sur un nouveau bloc de construction fondamental de importe de sitôt.

Heureusement, ce n'est pas vrai pour les particules composites, en particulier le monde étrange de la matière quark offre encore un certain potentiel pour de nouvelles découvertes. Le dernier en date était l'observation d'un nouveau tétraquark par l'expérience LHCb. Mais qu'est-ce qu'un quark de toute façon et pourquoi porte-t-il le nom d'un produit laitier allemand?

Le proton n'est pas qu'un point

Jusque dans les années 1950, on pensait que les particules subatomiques telles que le neutron et le proton étaient des particules élémentaires ponctuelles sans structure interne. Au cours de la décennie suivante, les progrès réalisés par les expériences sur les accélérateurs ont conduit à la découverte de tout un zoo de nouvelles particules. Cette soudaine «explosion de particules» a irrité les physiciens qui croyaient à la beauté de la simplicité. Wolfgang Pauli s'est exclamé que s'il avait prévu cela, il serait devenu botaniste à la place. Le physicien américain Willis Lamb a suggéré que la découverte d'une nouvelle particule devrait maintenant être punie d'une amende de 10 000 $ au lieu d'un prix Nobel.

En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig ont indépendamment proposé un modèle proposant que ces nouvelles particules ne soient pas élémentaires mais plutôt composées d'une combinaison de nouvelles particules fondamentales appelées quarks. Le nom a été inventé par Gell-Mann qui l'a prononcé «kwork» et a ensuite adopté l'orthographe de la ligne cryptique suivante dans le livre de James Joyce Finnegans Wake.

Trois quarks pour Muster Mark!

Bien sûr, il n'a pas beaucoup d'écorce

Et bien sûr, tout ce qu'il a, c'est tout à côté de la marque.

Alors que Gell-Mann a interprété la réplique comme un appel à boire («Trois litres pour Monsieur…»), on ne sait pas ce que signifiait vraiment James Joyce. Certains pensent qu'il représente le cri d'une mouette tandis que d'autres l'attribuent au mot allemand pour une sorte de fromage cottage.

La preuve définitive de l'existence des quarks est venue en 1968 lorsque des expériences au Stanford Linear Accelerator Center ont montré que le proton n'est pas une particule ponctuelle mais contient plutôt une structure interne. Pourtant, les gens n'ont reconnu que plus tard que ce qu'ils ont observé étaient en fait des quarks.

Un Quark arrive rarement seul

Crédits: MissMJ, Cush

Il existe six types de quarks différents (haut, bas, haut, bas, étrange, charme) qui ont des masses et des charges différentes. Pour chaque quark, il y a aussi une antiparticule de même masse mais de charge opposée. Le proton, par exemple, se compose de deux quarks up (u) de charge +2/3 et d'un quarks down (d) de charge -1/3, tandis qu'un neutron se compose de deux quarks down et d'un quark up.

Comme la force électrique qui agit sur les particules chargées, chaque quark contient une charge de couleur bleue, verte ou rouge, ce qui le rend sensible à la force forte. Dans la nature, on ne peut observer que des particules de couleur neutre qui consistent soit en trois quarks de couleurs différentes (appelés baryons), soit en une paire quark-antiquark (appelés mésons).

Le fait que l'on ne puisse pas produire de quarks isolés est appelé confinement. Cela peut être compris comme une particularité de la force forte qui se comporte comme un élastique. Lorsqu'on essaie de séparer deux quarks, il devient de plus en plus difficile à mesure que la distance augmente, de sorte qu'à un moment donné, il est énergétiquement plus favorable de créer une autre paire quark-antiquark.

Tetraquarks et Pentaquarks

Spectre de masse invariant des paires J / ψ mesuré par LHCb. Le pic étroit légèrement en dessous de 7 000 MeV correspond au tétraquark nouvellement découvert.
Crédit: collaboration LHCb

Les baryons et les mésons ne sont pas les seules possibilités de combiner les quarks de manière neutre en couleur. Un tétraquark est également viable, étant une combinaison de quatre quarks qqqq, où q et q désignent respectivement un quark et un antiquark. Un pentaquark qqqqq peut même exister.

Pour rechercher des penta- et tétraquarks, on écrase des électrons ou des protons dans un accélérateur et on analyse les particules produites lors des collisions. Étant donné que ces particules exotiques ont des durées de vie extrêmement courtes, elles ne peuvent pas être directement observées dans un détecteur. Au lieu de cela, on trace le nombre d'événements enregistrés par rapport à la masse dite invariante, calculée à partir de l'énergie et de la quantité de mouvement des produits de désintégration finaux. Dans ce graphique, une particule intermédiaire de courte durée apparaît comme un pic de résonance étroit. La position du pic est égale à la masse de la particule tandis que la largeur est inversement proportionnelle à sa durée de vie.

La première indication de l'existence d'un tétraquark est venue en 2003 de l'expérience BELLE au Japon. La même année, une autre expérience japonaise appelée SLEP a peut-être vu un pentaquark. Entre-temps, plusieurs penta- et tétraquarks ont été découverts sans ambiguïté. Au premier rang de ces découvertes se trouvait l'expérience LHCb qui a confirmé l'existence d'un tétraquark en 2014 et un an plus tard a également découvert un pentaquark. Le tétraquark découvert récemment par LHCb est spécial car il se compose de deux quarks de charme et de deux antiquarks de charme cccc. Tous les autres tétraquarks observés jusqu'à présent ont au plus deux quarks lourds et aucun d'entre eux n'est constitué de plus de deux quarks du même type.

Pourquoi nous soucions-nous même?

Vous vous demandez peut-être pourquoi les gens s'efforcent de chasser ces particules exotiques. Comme pour la plupart des expériences de physique des particules, il s'agit d'une meilleure compréhension des forces fondamentales de la nature, en l'occurrence la force forte décrite par la chromodynamique quantique (QCD). Le calcul des propriétés des quarks liés est assez compliqué et donc la mesure de ces particules exotiques permet de tester différents modèles théoriques. Par exemple, on ne sait pas si tous les quarks d'un tétra- et d'un pentaquark sont étroitement liés ou s'ils forment une combinaison de baryons et de mésons en forme de molécule, faiblement liée. Découvrir davantage de ces particules et mesurer leurs propriétés pourrait aider à résoudre cette question.

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