Les chercheurs ont révélé des configurations auparavant inconnues dans lesquelles les quarks peuvent se combiner, apportant un nouvel éclairage sur le comportement des plus petits constituants de la matière connus de l’humanité.
Ces formes exotiques de matière ne persistent que pendant un instant fugace, bien plus court qu’un clignement d’œil.
Crédit image : CERN.
Bien que ces structures nouvellement identifiées ne durent qu’une fraction d’un trillionième de trillionième de seconde, elles pourraient fournir des indices cruciaux sur les mécanismes ayant façonné l’Univers primitif.
La matière ordinaire est constituée d’atomes, dont les noyaux contiennent des protons et des neutrons, chacun formé de trois quarks.
Le concept de blocs fondamentaux de la matière remonte à Démocrite, philosophe grec du Ve siècle av. J.-C., qui théorisait que toutes choses sont composées de particules indivisibles, plus tard appelées atomes.
Les progrès de la physique expérimentale à la fin du XIXe et au début du XXe siècle ont montré que les atomes sont constitués de constituants plus petits : électrons, protons et neutrons.
Au milieu du XXe siècle, la recherche a révélé que les protons et les neutrons ne sont pas élémentaires, mais sont formés de particules plus fondamentales appelées quarks. Les interactions entre quarks sont médiées par la force nucléaire forte, l’une des quatre interactions fondamentales de la nature.
Cette force est non seulement responsable de la cohésion des noyaux atomiques, mais aussi de la dynamique de nombreux processus subatomiques, constituant ainsi un pilier de la structure et de la stabilité de l’Univers.
Les formes exotiques de matière révélées ces dernières années consistent en combinaisons de quatre et cinq quarks, appelées tétraquarks et pentaquarks.
Au Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Suisse, les physiciens ont annoncé la découverte d’un nouveau pentaquark et de deux nouveaux tétraquarks, portant à 21 le nombre d’hadrons exotiques connus. Bien que chacun de ces objets présente des caractéristiques distinctes, l’équipe est particulièrement enthousiasmée par les propriétés inhabituelles de ces dernières découvertes.
Le pentaquark nouvellement observé subit un processus de désintégration produisant un ensemble unique de particules, jamais vu auparavant, tandis que les deux tétraquarks semblent posséder des masses identiques, ce qui pourrait indiquer qu’ils forment la première paire reconnue de configurations exotiques apparentées.
Peut-être plus important encore, le nombre croissant de particules exotiques connues permet désormais aux physiciens de les organiser systématiquement, à l’image des éléments dans un tableau périodique des blocs de construction de la matière. Cela représente une étape cruciale vers l’élaboration d’un cadre unifié capable d’expliquer et de prédire le comportement de ces formes de matière inhabituelles.
Pour explorer les implications de ces nouveaux résultats, des scientifiques ont tenu un séminaire dédié au CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, qui exploite le LHC.
Bien que l’étude des subtilités entre particules subatomiques semble très spécialisée, c’est par l’interaction des quarks que se manifeste la force nucléaire forte, la colle fondamentale qui lie les noyaux atomiques et, par extension, l’ensemble du cosmos.
« La force forte reste extraordinairement difficile à calculer, et notre compréhension théorique de la manière dont les pentaquarks et tétraquarks exotiques se forment est encore incomplète », a noté le professeur Chris Parkes de l’Université de Manchester.
« Nous espérons que les découvertes en cours nous aideront à affiner nos modèles et à obtenir, en fin de compte, une vision plus claire de ces états remarquables de la matière. »
Après une mise à niveau importante du LHC, les scientifiques s’attendent à découvrir une gamme plus large de particules exotiques, pouvant inclure celles composées de six quarks liés dans un même état.
Certaines de ces configurations pourraient présenter une plus grande stabilité, persistant jusqu’à quelques dizaines de milliards de secondes, une éternité à l’échelle subatomique.
Malgré leur durée de vie extrêmement courte, leur mouvement proche de la vitesse de la lumière produirait des trajectoires à l’échelle du millimètre dans les détecteurs, des empreintes discrètes mais cruciales pouvant aider les chercheurs à reconstruire leurs propriétés et à approfondir notre compréhension de la force forte et de l’Univers primitif.
Source : CERN.
