Cern : le secret du pentaquark enfin percé ?

Il y a quelques semaines, est décédé le prix Nobel de physique Murray Gell-Mann. Entre 1955 et 1975, il a dominé la physique des particules élémentaires avec son collègue Richard Feynman, également prix Nobel de physique. Gell-Mann est surtout célèbre auprès du grand public comme étant l'un des principaux découvreurs de la théorie des quarks, ces particules élémentaires -- jusqu'à nouvel ordre ! mais qui ne le seraient pas si la théorie des rishons s'avère un jour être exacte -- qui composent les protons et les neutrons mais aussi d'autres hadronshadrons comme les mésonsmésons pipi de Yukawa.

Cette découverte de la théorie des quarks, Gell-Man la partage notamment avec George Zweig avec des articles publiés en 1964 expliquant que les hadrons connus à l'époque, c'est-à-dire des particules sensibles aux forces nucléaires fortes collant les protons et les neutrons dans les noyaux atomiques (et même les particules échangées entre ces nucléonsnucléons comme des analogues des photonsphotons de la force électromagnétique) étaient des assemblages de paires ou de triplets de particules plus petites. Ces particules, des fermionsfermions (comme les électronsélectrons mais possédant des charges électriques fractionnaires), pouvaient donc former des mésons composés d'un quark et d'un antiquark, ou des baryonsbaryons composés de trois quarks.

Le schéma s'est compliqué quelque peu au cours de la décennie qui suivra avec notamment la reconnaissance de l'existence d'un analogue de la charge électrique pour les quarks que Murray Gell-Mann a appelé la couleurcouleur, et le passage de l'existence de 3 à 6 types de quarks (pouvant chacun posséder l'une des trois charges de couleur possibles). Enfin, Gell-Mann et son collègue Harald Fritzsch allaient introduire une théorie que Gell-Mann baptisera en 1976 du nom de Chromodynamique quantiqueChromodynamique quantique. Cette théorie reposait sur une généralisation des équationséquations de l'électrodynamique quantiqueélectrodynamique quantique utilisant la charge de couleur et impliquant l'existence de cousins du photons qui ont été appelés des gluonsgluons. Ce sont ces particules qui expliquent les forces fortesforces fortes confinant les quarks dans les mésons et les protons, mésons qui permettent à leur tour de lier les protons entre eux, malgré la répulsion électrostatiqueélectrostatique, et également les neutrons aux protons.

Le pentaquark a été prédit dès 1964

Remarquablement, dès leurs articles de 1964, alors qu'il semblait que les hadrons ne pouvaient être formés que de paires et de triplets de quarks, Gell-Mann et Zweig ont proposé l'existence de nouvelles particules contenant 5 quarks, des pentaquarks donc. Ces particules exotiquesexotiques vont commencer à pointer sérieusement le bout de leur neznez environ 40 ans plus tard dans le détecteur de l'expérience Belle au Japon, faisant intervenir des collisions de positronspositrons et d'électrons.

Ce n'est toutefois qu'en 2015 que les membres de la collaboration LHCb au CernCern vont vraiment être en mesure d'annoncer que des événements s'observent bel et bien dans les collisions de protons au LHCLHC et qui sont des assemblages de 5 quarks. Toutefois, les pentaquarks détectés pouvaient être aussi bien des états liés de 5 quarks en une seule particule qu'un analogue du noyau de deutérium constitué d'un proton et d'un neutron lié, une sorte de moléculemolécule d'hadrons donc. En l'occurrence, il pouvait s'agir d'un état lié d'un méson avec un baryon composé de 3 quarks.

Après avoir multiplié par 9 le volumevolume de données disponibles pour étudier les réactions faisant intervenir la production de pentaquarks depuis lors, les membres de la collaboration LHCb font savoir, avec la publication d'un article disponible également en accès libre sur arXiv, que l'hypothèse d'une molécule de hadrons est maintenant la plus crédible pour expliquer la structure des pentaquarks détectés. Mais le dernier mot de la saga des pentaquarks n'est peut-être pas encore dit...

Un schéma montrant la structure probable du pentaquark qui serait donc un état lié de deux hadrons (un méson D neutre et un baryon sigma plus) et pas cinq quarks dans un seul hadron. Les antiquarks et les antiparticules sont indiqués avec une barre au-dessus de leurs noms. Des quarks u, d et c sont présents. © Daniel Dominguez, Cern

Cern : LHCb confirme l'existence du pentaquark

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 27/03/2019

Composé de cinq quarks comme son nom l'indique, le pentaquark avait déjà été découvert au Cern en 2015. Bien qu'exotique, il trouve sa place dans le cadre du modèle standardmodèle standard de la physique des hautes énergiesénergies et n'est donc pas la pointe émergée d'une nouvelle physique. Cette particule serait en fait un représentant d'une famille portant le même nom où divers mélanges de quarks sont autorisés.

Le 3 décembre 2018, la deuxième campagne de prises de données dans les détecteurs du LHC a pris fin. Sur une duréedurée de trois ans, les physiciensphysiciens et les ingénieurs du Cern auront donc fait un nombre gigantesque de collisions de protons dans ces détecteurs. Tous ces chercheurs peuvent être très fiers du travail accompli même si la nature s'est hélas montrée peu prodigue avec nous alors qu'on attendait un zoo de nouvelles particules relevant d'une nouvelle physique.

Tout n'est pas perdu à cet égard car des upgrades du LHC sont en cours et la chasse reprendra en 2021. À un horizon proche, une version à haute luminosité du LHC sera aussi opérationnelle et à un horizon plus lointain, des collisionneurs circulaires de particules de 100 km de circonférence sont à l'étude, en espérant qu'ils pourront au moins nous livrer les secrets de la matière noire et de l'énergie noireénergie noire.

En attendant, les analyses des mesures effectuées grâce aux deux périodes d'exploitation du LHC sont toujours en cours. Elles livrent quelques découvertes comme on peut s'en convaincre avec les communications faites depuis quelque temps à l'occasion des célèbres Rencontres de Moriond, qui comme chaque mois de mars depuis 2004 se tiennent à La Thuile dans la vallée d'Aoste, en Italie. Elles sont les héritières de celles organisées dans les Alpes françaises à partir de 1966 par Jean Trân Thanh Vân, un physicien d'origine vietnamienne. Elles permettent de faire le point sur les recherches en cours en physique des hautes énergies et en cosmologiecosmologie.

Un pentaquark formé de deux hadrons ?

Après un nouveau résultat concernant la découverte d'une violation CP dans les mésons D neutres, les membres de la collaboration LHCb font savoir maintenant qu'ils ont aussi confirmé, de façon plus solidesolide, leurs résultats concernant l'existence du pentaquark.

Comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous consacré à cette découverte, le pentaquark est un état lié de cinq quarks (en fait une famille de ces particules avec diverses combinaisons de quarks est possible). État lié dont l'existence était suspectée dès 1964 par Murray Gell-Mann lorsqu'il a introduit avec d'autres le modèle des quarks pour rendre compte du déluge de nouveaux hadrons découverts en accélérateur à cette époque. La chromodynamique quantique (QCD), la théorie des forces entre ces quarks, explique naturellement ces hadrons comme des états liés de paires de quark-antiquark (la famille des mésons) ou des triplets de ces particules et antiparticulesantiparticules (la famille des baryons qui compte les protons et les neutrons). La QCD autorise aussi l'existence des pentaquarks mais de façon plus exotique.

Les physiciens ont observé un plus grand nombre d'évènements indiquant la présence fugace d'une particule contenant clairement cinq quarks et antiquarks. Elle a été baptisée P_c (4312)⁺ dans le cadre de la nomenclature de la physique des particules et on sait qu'elle se désintègre en donnant un proton et une particule J/ψ (composée d'un quark charméquark charmé et de son antiquark). La découverte est solide puisque les données combinées de la première et de la seconde campagne de mesures avec le LHC ont permis d'atteindre une signification statistique de 7,3 sigma, comme disent les chercheurs dans leur jargon, dépassant donc clairement le seuil de cinq sigma requis pour prétendre à une découverte.

Toutefois, le gain de statistique fait aussi maintenant pencher très légèrement la balance en faveur d'une interprétation particulière concernant la structure du pentaquark déjà avancée. Les cinq quarks liés pourraient en fait se répartir en deux hadrons liés, comme le sont par exemple le proton et le neutron dans un noyau de deutérium. P_c (4312)⁺ pourrait être une sorte de molécule de hadrons avec un état lié entre un méson et un baryon.

De nouvelles mesures sont nécessaires pour vraiment trancher la question.

Le pentaquark, une nouvelle particule découverte au LHC

Article de Laurent Sacco publié le 16/07/2015

Composé de cinq quarks comme son nom l'indique, le pentaquark, qui vient d'être découvert au Cern, trouve sa place dans le cadre du modèle standard de la physique des hautes énergies. Pas de nouvelle physique, donc. Cette particule devrait cependant nous aider à mieux comprendre les protons et les neutrons qui nous composent.

Harald Fritzsch et Murray Gell-Mann ont publié en 1972 les équations d'une théorie ayant permis aux physiciens de pénétrer profondément dans le monde des hadrons, dominés par les forces nucléaires fortes s'exerçant entre les quarks, les particules élémentaires qui les constituent. Les deux chercheurs avaient nommé cette théorie la chromodynamique quantique (QCD ou Quantum Chromodynamics en anglais), en référence aux analogues à la charge électrique portée par les quarks, la couleur. La QCD est une théorie des champs de Yang-Millschamps de Yang-Mills comme l'est celle de la force électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg. Elle prédit l'existence de huit cousins des photons que Fritzsch et Gell-Mann ont baptisés des gluons -- contrairement aux photons, les gluons correspondent à l'interaction nucléaire forte. Les fondements de la théorie des quarks avaient quant à eux été posés en 1964 par Murray Gell-Mann, collègue de Richard Feynman à Caltech, et indépendamment par un tout jeune thésard de Feynman, George Zweig, alors en poste au Cern.

La théorie des quarks et la QCD font encore l'objet de recherches théoriques et expérimentales poussées de nos jours. On n'a pas encore percé tous leurs secrets, même en utilisant les ordinateursordinateurs à la façon du prix Nobel Kenneth Wilson. En témoigne l'annonce par les membres de la collaboration LHCb de la découverte d'un nouvel hadron composé de cinq quarks : un pentaquark. Leur article est disponible sur arXiv.

Une nouvelle famille de hadrons, les pentaquarks

Le pentaquark fait partie des hadrons exotiques, tout comme le tétraquark, déjà découvert par les membres de la collaboration LHCb. Jusque-là, c'était un peu le serpent de mer de la physique hadronique. En 1997, trois physiciens théoriciens russes du Petersburg Nuclear Physics Institute, Maxim Polyakov, Dmitri Diakonov et Victor Petrov, étaient arrivés à la conclusion que les équations de la QCD n'autorisaient pas que les hadrons formés de trois quarks (les baryons), et de deux quarks (les mésons). Il devait exister une autre famille à cinq quarks, plus précisément quatre quarks et un antiquark. Les trois chercheurs avaient même calculé les caractéristiques d'un de ces hadrons exotiques contenant deux quarks uquarks u, deux quarks dquarks d et un antiquark s. Mais avaient-ils raison ?

Les expérimentateurs se sont rapidement emparés de la question au début des années 2000. Des physiciens japonais ont été les premiers à annoncer la découverte d'un candidat possible au titre de pentaquark en examinant les produits du bombardement de neutrons dans des atomesatomes de carbonecarbone par des rayons gammarayons gamma. La particule observée semblait être 1,5 fois plus massive que le proton. Hélas, comme dans plusieurs autres expériences réalisées ensuite, une analyse plus poussée avait montré qu'en réalité on ne pouvait pas conclure à une découverte.

De 2009 à 2012, les membres de la collaboration LHCb ont cependant collecté une grande quantité de données concernant la désintégration d'un baryon appelé Λb (Lambda b) en trois autres particules, un J/ψ-(J-psi), un proton et un kaon chargé. Ils poursuivirent leur analyse alors que le LHC était temporairement à l'arrêt pendant deux ans pour préparer son second « run » et les résultats se révélèrent fructueux. L'exceptionnelle qualité du détecteur a en effet permis la découverte de signaux correspondant à des particules environ 4,7 fois plus massives que le proton. Tomasz Skwarnicki, physicien à la collaboration LHCb et membre de l'université de Syracuse, explique dans un communiqué du Cern : « Profitant des très nombreuses données fournies par le LHC et de l'excellente précision de nos détecteurs, nous avons examiné toutes les possibilités pour ces signaux et concluons qu'ils peuvent être expliqués uniquement par des états pentaquarks. Pour être plus précis, ces états doivent être formés de deux quarks u, d'un quark d, d'un quark c et d'un antiquark c ».

La nouvelle particule découverte au Cern contient cinq quarks. Comme le montre ce dessin, il pourrait s'agir d'une sorte d'état lié complexe entre un méson (à gauche) et un baryon (à droite). De telles molécules hadroniques ont déjà été envisagées par les chercheurs. © Cern

Une molécule méson-baryon ou un pentaquark ?

Un minimum de prudence s'impose tout de même. Une nouvelle particule contenant cinq quarks a bien été découverte mais, comme l'explique Liming Zhang, physicien à la collaboration LHCb et membre de l'université de Tsinghua, les quarks pourraient être liés étroitement « ou alors ils pourraient être liés faiblement et former une sorte de molécule méson-baryon dans laquelle le méson et le baryon seraient sensibles à une force forte résiduelle semblable à celle qui lie les protons et les neutrons à l'intérieur des noyaux. »

Heureusement, la seconde campagne de prise de données au LHC a commencé. Gageons que l'on en saura beaucoup plus dans quelques années, notamment grâce aux progrès des calculs sur ordinateurs qui permettent déjà de retrouver les masses des protons et des neutrons à partir des équations de la QCD et du modèle électrofaible.