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

C'est officiel, une nouvelle particule a été détectée au Grand collisionneur de hadrons : Xicc++. Nous avons décidé de revenir sur cette annonce avec des explications aussi simples que possible sur les particules élémentaires et les forces fondamentales régissant l'Univers. 

Jusqu'à mercredi prochain, se tient la conférence European Physical Society à Venise, en Italie. Ce salon, qui a ouvert ses portes le 5 juillet, a déjà été le théâtre d'une annonce importante : l'observation d'une nouvelle particule, poétiquement baptisée Xicc++ (ou Ξcc++).

Pour ses détails physiques, il s'agit d'une particule appartenant à la famille des baryons, composée de deux quarks charmés (lourds) et d'un quark haut, avec une double charge élémentaire. Si les théories actuelles de la physique prédisaient son existence, elle n'avait jamais été observée jusqu'à présent, malgré « des années de recherche » explique le CERN. 

Vous êtes déjà perdus dans les détails techniques de cette annonce ? Reprenons depuis le début avec des explications sur les quarks, les gluons, les forces fondamentales et leurs implications dans l'Univers. 

Retour sur les quarks, une des composantes élémentaires de la matière

Pour commencer, quelques définitions : un baryon est « simplement » une particule composée de trois quarks reliés entre eux par des gluons. Encore trop abstrait pour vous ? Pourtant, vous connaissez certainement deux d'entre eux, au moins de nom : le proton et le neutron (avec trois quarks chacun donc). Pour rappel, chaque atome est constitué d’un noyau, comprenant des protons et des neutrons (sauf l’hydrogène qui n'a pas de neutron), et d’un nuage d’électrons. Les atomes sont la base de la matière ordinaire présente dans l'Univers.

Mais les protons et les neutrons ne sont pas les seuls représentants des baryons. Il existe de nombreuses autres particules formées à partir de trois quarks et de gluons... Ha oui, les gluons sont d'autres particules liant les quarks entre eux. Ils sont souvent représentés par des ressorts ou élastiques. Pour schématiser, et sans entrer trop dans les détails, c'est un peu leur manière de faire : quand les quarks sont proches, la force des gluons est faible et elle augmente avec la distance.

Vous visualisez maintenant les quarks et les gluons ? Tant mieux... mais il n'existe pas qu'un seul quark. Ce serait bien trop simple, vous en conviendrez. Ils sont six dans la famille et on parle généralement de « saveurs » : bas, haut, étrange, charmé, beauté et vérité (oui, les scientifiques peuvent parfois trouver des noms drôles). Ils sont chargés à -1/3 e (charge élémentaire) pour bas, étrange et beauté, contre +2/3 e pour les trois autres.

Pour en savoir plus sur les particules élémentaires, vous pouvez regarder la conférence de Jean-Yves Ollitrault, chercheur à l’Institut de Physique Théorique (CEA/CNRS). Il y est question d'atomes, de noyau, de quarks, de gluons, etc.

Dans l'Univers, 12 particules fondamentales

Les quarks sont très importants, comme l'explique le CERN : « Tout ce qui nous entoure est constitué de particules de matière divisées en deux familles : les quarks et les leptons ». Chacune étant elle-même composée de six particules, l’Univers est donc fait de « douze constituants de base appelés particules fondamentales [...] ».

Chacune des familles quarks et leptons compte six particules, regroupées deux par deux, par génération. La première rassemble les particules les plus stables et les plus légères, tandis que celles des deuxième et troisième générations sont plus lourdes et instables.

Toute la matière stable de l’Univers est composée de particules faisant partie de la première génération, les autres se désintègrent rapidement pour donner vie à une particule plus stable. Dans le cas des quarks, la première génération a la « saveur » bas ou haut.

La particule Xicc++ est instable, lourde et chargée positivement

Mais revenons à nos moutons, ou plus exactement à notre Xicc++. Elle est donc composée de trois particules élémentaires : deux quarks charmés et un quark haut. Vous l'avez peut-être deviné : elle n'est pas stable puisqu'elle comporte à la fois un quark de première génération (haut) et deux de deuxième génération (charmés).

À titre de comparaison, un neutron est composé de deux quarks bas et un haut, alors que le proton comporte deux haut et un bas ; ils sont tous les deux stables. La charge du neutron est nulle (-1/3 + -1/3 + 2/3), alors que celle du proton est positive (2/3 + 2/3 - 1/3). De son côté, la charge de Xicc++ vaut deux fois la charge élémentaire (2/3 + 2/3 + 2/3), elle est représentée par « ++ » dans l'image et le nom de la nouvelle particule observée.

Quand e=mc², la masse se mélange avec l'énergie

C'est d'ailleurs confirmé par Matthew Charles du Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE) du CNRS. Il explique à nos confrères de l'AFP que Xicc++ « est une particule très lourde et instable ». Lourde ? Le CERN annonce en effet que sa masse est « d'environ 3 621 MeV, soit près de quatre fois celle du proton (le baryon le plus connu) ». MeV étant l'unité de mesure de... l'énergie méga électron-volt. Mais quel rapport avec la masse alors ?

Prenons de nouveau deux minutes pour une piqure de rappel. Vous souvenez-vous de la formule e=mc² d'Einstein dans la relativité restreinte ? C'est le moment de l'utiliser. Elle signifie que l'énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré. On peut donc en déduire que m=e/c² et ainsi écrire une masse sous la forme d'une énergie divisée par la vitesse de la lumière au carré. Ce que les scientifiques réduisent souvent à la simple énergie, et on obtient ainsi environ 3 621 MeV pour Xicc++.

Cette découverte est importante car « jusqu'ici, les baryons observés étaient tous constitués d'un quark lourd au maximum », contre deux pour la star du jour.

Ok, une nouvelle particule instable... et donc ?

Maintenant, la question est de savoir en quoi est-ce important d'observer « pour de vrai » une particule dont on connaissait potentiellement l'existence ? Le CERN donne des explications, par la voix de Giovannu Passaleva, le nouveau porte-parole du LHCb : « Le fait d'avoir trouvé un nouveau baryon, contenant deux quarks lourds, présente un grand intérêt, car celui-ci nous offre un outil exceptionnel pour sonder plus avant la chromodynamique quantique, à savoir la théorie décrivant l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales ». 

Forces fondamentales... revenons également sur ce point. Si nous avons déjà cité le CERN sur le fait que « l’Univers est fait de douze constituants de base appelés particules fondamentales », nous avions coupé la fin de la phrase, mais elle prend ici toute son importance : « [...] et gouverné par quatre forces fondamentales ». Il s'agit des forces forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle.

Les forces faibles et fortes n'agissent qu'au niveau des particules subatomiques (c'est le cas de Xicc++), tandis que les deux autres ont « une portée infinie ». Au niveau de la puissance, la force faible se trouve entre la gravitation et l'électromagnétisme, alors que la force forte surclasse tout le monde. Et c'est justement de cette dernière dont il est question aujourd'hui.

Xicc++ comparée à un système planétaire

Afin de donner une image des intéractions à l'intérieur de la particule Xicc++, Guy Wilkinson, ancien porte-parole du LHCb, y va de sa petite explication : « Contrairement aux autres baryons, dans lesquels les trois quarks effectuent une danse subtile les uns autour des autres, un baryon à deux quarks lourds devrait se comporter comme un système planétaire, où les deux quarks lourds jouent le rôle d'étoiles lourdes en orbite l’une autour de l’autre, le quark léger étant, lui, en orbite autour de ce système binaire ».

Observer cette particule permet donc de voir comment se comporte un système avec deux quarks lourds et un léger afin de déterminer « les mécanismes de production et de désintégration ainsi que la durée de vie de cette nouvelle particule », tout en obtenant donc de nouvelles données sur la force forte, la plus puissante des quatre forces fondamentales. Pour information, sachez qu'il reste toujours à découvrir le « graviton », en théorie la particule porteuse de la gravité, mais qui n'a pas encore été observé.

Des observations à 13 TeV dans le LHC, avant de passer à 14 TeV en 2020

Xicc++ a été observée à partir d'un jeu de données issues de l'accélérateur de particules LHC (Grand collisionneur de hadrons) durant sa seconde période d'exploitation, avec une énergie totale de 13 TeV donc. Les données ont été confirmées par d'autres informations enregistrées lors de la première phase d'exploitation, avec 8 TeV à l'époque, explique le CERN.

Après un long arrêt technique en 2019-2020, le LHC grimpera à 14 TeV pour sa troisième période d'exploitation, avant de passer à la haute luminosité vers 2025. Bref, le Grand collisionneur de hadrons n'a certainement pas fini de faire parler de lui pour permettre aux scientifiques de faire de nouvelles découvertes.

Dans tous les cas, maintenant que la particule Xicc++ a été formellement observée, reste encore à disséquer ses propriétés, et c'est une autre paire de manches.