CERN : le secret du pentaquark enfin percé ?

Après avoir fortement accrédité l’existence de pentaquarks, des hadrons formés d’un état lié de 5 quarks, les membres de la collaboration LHCb au CERN pensent avoir précisé leur structure. Ceux détectés avec le LHC (Large Hadron Collider) seraient en fait l’équivalent d’un noyau de deutérium formé de deux hadrons liés.

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 hadrons comme les mésons pi 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 nucléons comme des analogues des photons de la force électromagnétique) étaient des assemblages de paires ou de triplets de particules plus petites. Ces particules, des fermions (comme les électrons mais possédant des charges électriques fractionnaires), pouvaient donc former des mésons composés d’un quark et d’un antiquark, ou des baryons composés de trois quarks.

Pentaquark

La nouvelle particule découverte avec le détecteur de la collaboration LHCb est un état lié formé de quatre quarks et d’un antiquark, un pentaquark. Une des hypothèses initiales concernant sa structure est représentée sur ce dessin d’artiste. (Source : CERN)

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 couleur, 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 quantique. Cette théorie reposait sur une généralisation des équations de l’électrodynamique quantique utilisant la charge de couleur et impliquant l’existence de cousins du photons qui ont été appelés des gluons. Ce sont ces particules qui expliquent les forces 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 électrostatique, et également les neutrons aux protons.

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 exotiques vont commencer à pointer sérieusement le bout de leur nez environ 40 ans plus tard dans le détecteur de l’expérience Belle au Japon, faisant intervenir des collisions de positrons et d’électrons.

Ce n’est toutefois qu’en 2015 que les membres de la collaboration LHCb au CERN vont vraiment être en mesure d’annoncer que des événements s’observent bel et bien dans les collisions de protons au LHC 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 molécule d’hadrons donc. En l’occurrence, il pouvait s’agir d’un état lié d’un méson avec un baryon composé de 3 quarks.

Pentaquark molécule

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. (Source : CERN)

Après avoir multiplié par 9 le volume 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…

Source : Futura-Sciences

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