Le CERN annonce la découverte « d'une particule exotique inédite », avec quatre quarks. Il s'agit donc d'un tétraquark (dans la famille des hadrons). On revient en douceur sur cette annonce et ses conséquences sur la physique, notamment sur une des quatre forces fondamentales de la nature : l'interaction forte. 

Le LHCb (Large Hadron Collider beauty) est une expérience se déroulant au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Trois ans après la découverte d'une nouvelle particule baptisée Xicc++ avec deux quarks charmés, elle est à l'origine de la détection d'un « type de particule inédit », avec quatre quarks cette fois-ci, il s'agit donc d'un tétraquark. Une prépublication a été mise en ligne sur arXiv.

• Retour en douceur sur la découverte d'une nouvelle particule, avec deux quarks « charmés »

(Anti)quarks, gluons, hadrons, interaction... Vous avez les bases ?

Comme le rappelle le CERN, « tout ce qui nous entoure est constitué de particules de matière divisées en deux familles : les quarks et les leptons ». Chacune compte six groupes de particules, regroupées deux par deux par génération. La première rassemble les particules les plus stables et les plus légères, tandis que les deuxième et troisième générations sont plus lourdes et instables. Pour résumer, l’Univers est composé de « douze constituants de base appelés particules fondamentales ».

Cela fait maintenant 50 ans que l'on sait que les hadrons – on pensait qu'il s'agissait de particules élémentaires jusque dans les années 70, rappelle l'Universalis – sont constitués de quarks, d'antiquarks et de gluons. Ces derniers sont des « particules » liant les (anti)quarks entre eux ; ils sont souvent représentés sous la forme de ressorts ou élastiques, car leur « force » augmente avec la distance. 

Rappelons aussi que « la famille des hadrons rassemble les nombreuses particules sensibles à l'interaction nucléaire forte, cette force extraordinairement intense qui assure la cohésion du noyau en confinant les nucléons – protons et neutrons – dans un tout petit volume, malgré la répulsion électrostatique entre les protons ».

Voici les mésons, baryons, tétraquarks et pentaquarks 

« Généralement, les quarks s'assemblent par groupes de deux [on parle alors de mésons, ndlr] ou trois [des baryons, ndlr] pour former » les hadrons, explique le CERN. Ce ne sont pas les seules combinaisons, il est aussi possible d'avoir plus de trois quarks. On parle alors de tétraquarks lorsqu'ils sont quatre et de pentaquarks avec cinq. Le CERN rappelle que, « ces dernières années, des expériences, dont LHCb, ont confirmé l'existence de plusieurs de ces particules exotiques ». 

Quelle est donc la particularité de la particule du jour ? Il s'agit de la toute « première composée de quatre quarks lourds du même type, à savoir deux quarks c et deux antiquarks c [...] Jusqu'à présent, LHCb et les autres expériences avaient observé uniquement des tétraquarks comprenant au maximum deux quarks lourds, et aucun ayant plus de deux quarks du même type », explique Giovanni Passaleva, le porte-parole sortant de la collaboration LHCb.

De son coté, Chris Parkes, qui prend la succession à ce poste, ajoute que « ces particules exotiques lourdes sont des cas extrêmes, et elles constituent pourtant des objets assez simples théoriquement, avec lesquels il est possible de tester des modèles pouvant ensuite être utilisés pour expliquer la nature des particules de la matière ordinaire, comme les protons ou les neutrons. Les observer pour la première fois dans des collisions au LHC est donc très intéressant ». 

Fouiller dans les données existantes

Pour trouver cette particule, aucune nouvelle expérience n'a été menée. Les scientifiques se sont plongés dans les données récoltées durant les première (2009 à 2013) et seconde phases d'exploitation (2015 à 2018) du Grand collisionneur de hadrons. Ils y ont cherché « un excédent d'événements, c'est-à-dire une « bosse » se détachant de la courbe qui représente les événements constituant le bruit de fond ». 

C'est le jackpot pour le CERN : « les scientifiques ont repéré une bosse dans la distribution des masses d'une paire de particules J/ψ, constituées d'un quark c [c pour charmé, ndlr] et d'un antiquark c. Cette bosse a une signification statistique de plus de cinq écarts-types, seuil usuel à partir duquel on peut parler de découverte d'une nouvelle particule, et elle correspond à une masse où sont censées se trouver les particules composées de quatre quarks c ».

Quid de la répartition des quarks ?

Reste tout de même une inconnue importante sur ce nouveau tétraquark : sa composition interne. « On ne sait pas exactement si cette nouvelle particule est un « véritable » tétraquark », reconnait le CERN. Dans ce cas, le système serait composé de quatre quarks liés étroitement les uns aux autres. Mais il pourrait aussi s'agir d'une « paire de particules à deux quarks, les deux particules étant faiblement liées selon une structure comparable à celle d’une molécule ». 

Peu importe pour les scientifiques; : « quel que soit le cas de figure, le nouveau tétraquark aidera les théoriciens à tester les modèles de chromodynamique quantique, la théorie qui décrit l'interaction forte ». Le CERN ajoute que ces particules « sont un laboratoire idéal pour l'étude » de cette force fondamentale. Un point important, car il est « essentiel de connaître précisément l'interaction forte pour déterminer si les nouveaux processus non prédits sont ou non le signe d'une nouvelle physique ».

Un détour par les quatre interactions fondamentales de l'Univers

Si la matière dans l'Univers n'est composée que de douze particules fondamentales, on n'y retrouve que quatre interactions fondamentales. Certaines sont bien connues, d'autres non.

L’interaction électromagnétique régit tous les phénomènes électriques et magnétiques. Elle peut être attractive ou répulsive, avec un exemple que l'on connait tous : les aimants qui s'attirent s'ils sont de signes opposés, ou se repoussent dans le cas contraire. « Cette interaction est liée à l’existence de charges électriques et est notamment responsable de la cohésion des atomes en liant les électrons (charge électrique négative) attirés par le noyau de l’atome (charge électrique positive). Le photon est la particule élémentaire associée à l’interaction électromagnétique. Il est de charge électrique nulle et sans masse, ce qui fait que cette interaction a une portée infinie ».

L’interaction faible est la seule qui agit sur toutes les particules, excepté sur les bosons. « Elle est responsable de la radioactivité Bêta, elle est donc à l’origine de la désintégration de certains noyaux radioactifs. Le rayonnement Bêta est un rayonnement émis par certains noyaux radioactifs qui se désintègrent par l'interaction faible. Ce rayonnement est peu pénétrant : un écran de quelques mètres d'air ou une simple feuille d'aluminium suffisent pour l’arrêter ». Les particules élémentaires associées à cette interaction sont le boson neutre (le Z0) et les deux bosons chargés (W+ et W−). « lls ont tous une masse non nulle (plus de 80 fois plus massifs qu’un proton), ce qui fait que l’interaction faible agit à courte portée (portée subatomique de l’ordre de 10^- 17 m) ».

L’interaction forte, dont il était question aujourd'hui, assure la cohésion du noyau de l’atome. « Elle agit à courte portée au sein du proton et du neutron [...] Cette interaction se fait par l'échange de bosons appelés "gluons" ». Vous l'aurez certainement deviné, la particule élémentaire associée à l’interaction forte est le gluon. « Détail » important, cette interaction forte est au cœur des réactions nucléaires. Elle est notamment responsable de celles ayant lieu au sein du Soleil.

La dernière des interactions fondamentales est la force gravitationnelle. C'est la « plus faible des quatre interactions fondamentales. Elle s'exerce à distance et de façon attractive entre les différentes masses. Sa portée est infinie ». Problème, « à ce jour, on ne sait pas décrire l’interaction gravitationnelle par la mécanique quantique, et on ne lui connaît aucun boson médiateur. Au niveau théorique, la gravitation pose problème, car on ne sait pas la décrire à l’aide du formalisme de la « théorie quantique des champs », utilisé avec succès pour les trois autres interactions ».

Théorie des cordes et gravitation quantique à boucles

Mieux connaitre les interactions fondamentales est important, car cela pourrait donner des indices supplémentaires pour la quête du Graal de la physique : une théorie qui expliquerait simultanément les quatre interactions fondamentales (alias la théorie du tout).

« Une première étape a été franchie il y a une trentaine d’années avec l’unification de l’interaction faible et de la force électromagnétique dans un même cadre : l’interaction électrofaible. Celle-ci se manifeste à haute énergie –  environ 100 GeV », explique le CEA. La suite logique serait donc d’y ajouter l’interaction forte. Bien plus facile à dire qu'à faire.

« Si convergence il y a, elle ne devrait se manifester qu’à des échelles d’énergie encore bien plus élevées (10^15 ou 10^16 GeV), totalement hors de portée des expériences actuelles ». Resterait la gravité, et c'est loin d'être gagné : on « se heurte à des problèmes mathématiques non résolus pour le moment ».

D'autres pistes sont étudiées, notamment « la théorie des cordes [dans la théorie des dimensions supplémentaires, ndlr] et la théorie de la gravitation quantique à boucles ». Accrochez- vous pour l'explication (ou plutôt sa « visualisation ») et l'hypothèse de départ de la théorie des cordes : « seule une petite fraction de la force gravitationnelle est perceptible, le reste agissant dans une ou plusieurs autres dimensions. Ces dimensions, imperceptibles, seraient courbées et non plates comme les quatre connues de l’espace et du temps ». 

De son côté, « la gravité quantique à boucles a pour but de quantifier la gravitation. Elle a notamment pour conséquences que le temps et l’espace ne sont plus continus, mais deviennent eux-mêmes quantifiés (il existe des intervalles de temps et d’espace indivisibles). La gravité quantique à boucles cherche à combiner la relativité générale et la mécanique quantique directement, sans rien y ajouter ». De nombreux scientifiques travaillent sur l'une et l'autre.

Inutile de s'affoler pour autant : « aucune théorie unique ne peut expliquer de façon cohérente toutes les interactions », expliquait il y a deux ans le CEA. La situation n'a pas changé. Le nouveau tétraquark apportera-t-il sa pierre à l'édifice ?