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La physique quantique

Un baryon constitué de 3 quarks. Document T.Lombry.

Le modèle Standard (II)

En 1961, Murray Gell-Mann de Caltech (1929-) et indépendamment de lui Yuval Ne'eman (1925-2006) de l'Université de Tel Aviv inventèrent la théorie de symétrie en transposant la théorie des groupes de Lie à la physique des particules. L'idée de Gell-Mann et Ne'eman était de restaurer l'unité du Monde dans la simplicité.

Pour classer et manipuler la matière, ces scientifiques découvrirent que la théorie des groupes leur permettait de prédire toutes les transformations et échanges qu'il était possible de réaliser entre des particules ou leurs vecteurs. De façon à regrouper les particules en familles, ils les disposèrent dans des tableaux synoptiques, lesquels révélaient certains symétries internes. Mais si la symétrie pour le groupe choisi était bien respectée, toutes les particules représentées n'avaient pas la même masse[7].

Les quarks

Pour expliquer cette différence, quelques années plus tard M.Gell-Mann et G.Zweig proposèrent que les particules qui composaient la matière, les hadrons, étaient constitués de particules élémentaires chargées appelées quarks[8]. Leur théorie se développa dans les années 1970 et fut bientôt dénommée le modèle Standard.

Dans ses touts premiers papiers Gell-Mann avait suggéré que les quarks étaient des entités "mathématiques” plutôt que des particules réelles. Il fit cette distinction parce qu'il croyait qu'il serait impossible de les isoler et de les détecter individuellement. De l’aveu même de Gell-Mann, il ne désirait pas discuter avec les philosophes qui le cas échéant lui auraient certainement demandé ce qu'il entendait par "la réalité". Mais contrairement à ce que de nombreux auteurs ont écrit, Gell-Mann crut dès le début à l'existence des quarks.

A consulter : Fundamental Physical Constant

Les dernières valeurs des constantes de la physique

Murray Gell-Mann et une représentation de la mer de quarks, antiquarks et de gluons constituant un nucléon de silicium. A droite, les fonctions de distribution ou densités de probabilité des partons dans un proton (cf. le texte pour les explications). Documents Anonyme (DR), Science Photo Library et Collaboration H1 et ZEUS (2015).

A l'heure actuelle il n'a pas encore été possible de localiser ces particules élémentaires, bien que les théoriciens peuvent déjà estimer leur niveau d'énergie comme nous le verrons plus loin. Leurs forces ont pu être déduites par Gell-Mann à partir des collisions entre particules réalisées dans l'accélérateur linéaire du SLAC en 1969. Deux ans plus tard, quatre physiciens du même laboratoire démontrèrent que le proton avait une structure : en fonction de l'énergie libérée dans la collision, les particules diffusèrent sur le noyau, sur les protons ou sur des sous-structures plus petites encore, confirmant l'existence ce qu'on appelle "une mer de quarks et de gluons".

Suite à cette découverte, en 1969 au cours de la 3e Conférence sur les Collisions à Haute Energie des Hadrons, Richard Feynman (10) proposa le modèle des partons (cf. les Phys.Rev Letters, 23, 1969). Le résultat est une "fonction de distribution des partons", c'est-à-dire un modèle décrivant les densités de probabilité de trouver une particule hadronique (en terme de fraction de quantité de mouvement et d'impulsion). Comme on le voit dans le diagramme présenté à droite, les courbes correspondent à la fraction de moment longitudinal (x) multipliée par la fonction de distribution (f), en fonction de x. Elles révèlent l'existence d'une mer de gluons et de saveurs de quarks. Autrement dit, ce modèle prédit (courbe jaune) la structure et les interactions au sein du proton notamment. Il tient compte de la "liberté asymptotique" de l'interaction forte et donc prédit l'existence d'une mer de quarks et de gluons.

Quelle est la taille d'un quark ? En 2016, grâce à de nouvelles mesures établies au moyen du détecteur ZEUS de l'accélérateur de particules HERA du programme allemand DESY, les physicens ont fixé une nouvelle limite à la taille du quark. Le rayon du quark est de l'ordre 0.043 fm soit 4.3 x 10-17 cm ou 43 milliardième de milliardième de mètre. Qu'est-ce que cela représente concrètement ? Le rayon du quark est 20 fois plus petit que le rayon du proton, qui est 60000 fois plus petit que le rayon de l'atome d'hydrogène, lui-même étant 40 fois plus petit que le rayon de la double hélice de l'ADN qui est un million de fois plus petit qu'un grain de sable !

Structure et taille du proton

En bombardant un proton avec un faisceau de particules de basse énergie (< 30 GeV), on constate que celles-ci sont déviées ou sont diffusées sur trois partons de valence qui sont les 3 quarks. Mais si on utilise un faisceau incident de plus grande énergie (jusqu'à 1 TeV), on s'aperçoit que la particule est diffusée par toute une "mer de partons". Comment interpréter cette observation ?

Structure d'un proton. Doc DESY.

L'image que nous avons aujourd'hui du proton et qui a fait l'objet d'une publication en 2015 de la Collaboration H1 et ZEUS, est le résultat du travail de fourmi réalisé par quelque 300 chercheurs de 70 institutions associées au programme allemand DESY entre 1992 et 2007. Pendant 15 ans, les chercheurs ont minutieusement compilé des mesures, complétées par 8 années d'investigations et de calculs durant lesquelles ils ont analysé plusieurs milliards de collisions entre protons et électrons ou positrons à des énergies comprises entre 460-920 GeV pour les protons et 27.5 GeV pour les électrons.

Il ne faut pas imaginer le proton comme on le représente généralement de manière simplifiée comme une sphère contenant 3 petits quarks maintenus ensemble par des gluons. Comme on le voit sur le schéma présenté à gauche, la réalité est bien plus complexe. En effet, les expériences ont montré qu'un proton (en bleu) n'est pas seulement composé de 3 quarks (en vert) et de gluons (les ressorts) mais il est rempli d'une mer de gluons et de paires de quarks-antiquarks (en orange) qui intergissent les uns avec les autres.

Concernant la taille du proton, les physiciens sont face à un problème car en fonction des mesures ou que le proton soit isolé ou entouré d'une autre particule, son rayon est différent. Selon le modèle Standard, sa taille doit être constante et serait de 0.8745 fm. Or, en 2013 la taille du proton (isolé) avait été estimée à 0.8409 fm et une nouvelle expérience faite en 2016 par Pohl Randolf à l'Université de Mainz avec ses collègues sur des deutérons muoniques (composé d'un proton autour duquel gravite un muon négatif μ-) indique un rayon encore plus petit de 0.8356 fm, ce qui représente 4.6 % de différence avec le modèle Standard. La même valeur a été observée avec un proton isolé.

Cette anomalie renforce l'idée que le modèle Standard est incomplet. En effet, antérieurement la mesure du moment magnétique bipolaire du muon avait également donné une valeur différente de celle prédite par le modèle Standard. Pour expliquer cette différence, certains auteurs vont jusqu'à proposer l'existence d'une nouvelle interaction. Aujourd'hui, les physiciens n'ont pas d'explication. Ils vont donc réaliser de nouvelles expériences, différentes, et si possible plus précises pour identifier cette éventuelle variable cachée qui altère apparemment les mesures.

Fermions et bosons

Au cours de l'élaboration de sa "taxonomie quantique", Gell-Mann divisa ensuite les particules en deux classes : les fermions, qui regroupent hadrons et leptons, déjà cités pour obéir au principe d'exclusion de Pauli et les bosons. Les fermions représentent la "matière", laquelle est soumise aux quatre interactions fondamentales par l'intermédiaire des bosons. Quarks, leptons et bosons sont des particules élémentaires. Parmi les bosons seuls le photon et probablement le graviton ont une durée de vie infinie. W et Z se désintègrent en une fraction de seconde, tandis que les autres vecteurs font encore l'objet de discussions. Les hadrons et les leptons ont une durée de vie qui oscille entre 10-17 seconde et 15 minutes (neutron), après quoi ils se désintègrent. Seul le proton aurait une durée de vie quasi infinie. Nous y reviendrons en détail.

Décrivons à présent les deux grandes familles de particules, les hadrons et les leptons, c'est-à-dire les composants de la matière.

Les hadrons : baryons et mésons

Les physiciens regroupent les composants de la matière en deux familles : les hadrons et les leptons, selon qu'ils ressentent ou non les interactions fortes. Les hadrons (mot qui vient du grec hadros qui veut dire fort) sont subdivisés en baryons (proton, neutron et hypérons) et mésons (π ou pion, κ ou kaon, η ou eta, etc., selon la valeur de leur nombre de spin et leurs propriétés. Tous les baryons ont une antiparticule de même charge. Ce sont aussi les constituants les plus lourds de la matière (0.9 à 1.7 GeV).

A gauche, plan éclaté du détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) du LHC du CERN utilisé pour étudier divers domaines de la physique, des hadrons comme les protons et aux bosons Higgs et la recherche des éventuelles autres dimensions de l'univers. A droite, l'intérieur du CMS. Il s'agit d'un aimant supraconducteur de 14000 tonnes capable de générer un champ magnétique de 4 teslas (100000 fois l'intensité du champ géomagnétique). Ce cylindre mesure 21 m de long, 15 m de large et 15 m de haut. CMS est utilisé par 4300 chercheurs de 41 pays (2012). Document CERN/Big Science et CMS/CERN.

Parmi les hadrons, le méson η est la seule particule à présenter un seul état, celui dans lequel sa charge est neutre. Toutes les autres existent sous différentes formes, à l'état de particule ou d'antiparticule, présentant une charge positive, négative ou neutre. π est sa propre particule. C’est comme l’on dit un “état propre de la conjugaison de charge”.

Etant donné que les baryons assurent une certaine cohésion aux noyaux, leur interaction a une portée limitée, permettant aux nucléons de se briser ou fusionner. C'est le physicien japonais Hideki Yukawa qui prédit l'existence d'une particule appelée par la suite méson, pour servir de vecteur à cette interaction nucléaire forte. Nous détaillerons ce médiateur un peu plus loin.

La famille des hadrons regroupe donc les particules sensibles aux interactions fortes qui maintiennent la cohésion des nucléons dans le noyau. Outre les 92 éléments du tableau périodique, environ 250 autres particules ont été créées en laboratoire et complètent cette liste qui est remise à jour chaque année dans le "Particle Physics Booklet"[9]. La plupart d’entre elles sont instables.

Les hadrons sont constitués de 3 quarks : les baryons contiennent 3 quarks, les antibaryons 3 antiquarks. Les mésons contiennent 2 quarks. Les quarks n'ont plus un nom mais une "saveur" différente (en anglais flavor) : up, down, strange, charm, bottom, top dont on retiendra la première lettre. Ces quarks auraient tout aussi bien pu s'appeler “hydrogène" ou "électron" mais ces noms étaient déjà utilisés !... Les physiciens ont donc préféré sortir du cadre ordinaire des noms de baptême en laisser libre cours à leur imagination.

Ces quarks forment donc les soubassements de la matière. Certains chercheurs croient que les quarks eux-mêmes sont constitués de triplets de particules, les rishons ou préons (le proton serait alors constitué de 3x 3 rishons). Nous toucherions là les fondements de la matière, mais aucune découverte récente ne vient supporter cette théorie[10].

Une autre anomalie souleva bien des polémiques. Si les hypérons Λ-, Δ++ et Ω- avaient le même état d'énergie et le même nombre de spin, ils violaient le principe d'exclusion de Pauli. Pourtant ces particules existent. Walter Greenberg suggéra en 1964 qu'il devait y avoir une caractéristique supplémentaire, une symétrie au niveau des quarks qui n'était pas prise en compte dans la théorie, elle sera baptisée la "symétrie de couleur".

Xi(b)*, observation d'un nouveau type de baryon au CERN (sur le blog, 2012)

La symétrie de couleur

Hadron incolore (p+) de charge +1 (3/3)

Méson incolore (π+) de charge +1 (3/3)

Ci-dessous, émission d'un gluon virtuel dans une interaction forte entre quarks bleu et rouge.

Les physiciens ont attribué une "couleur" aux quarks pour préciser, non pas leur charge électrique, mais une propriété équivalente concernant l'interaction forte. Elle peut être rouge, verte ou bleue (antirouge, antiverte ou antibleue pour les antiquarks). Leur charge électrique est comparée à celle de l'électron prise pour unité[11]. La charge est de +2/3 pour les quarks u, c, t et de -1/3 pour les quarks d, s, b.

Pour expliquer l'existence de la charge électrique entière des hadrons (mésons et baryons), les physiciens Yoichiro Nambu et M.Han démontrèrent en 1965 que les interactions entre quarks imposaient de les combiner de façon "incolores". Leur théorie traitant des variables dynamiques des quarks et de leur couleur, elle sera baptisée "chromodynamique quantique" ou CDQ en abrégé, par référence à l'électrodynamique quantique, l'EDQ.

Ainsi le proton devait être composé des trois quarks d, u, u ayant les couleurs vert, bleu et rouge : par exemple down-vert + up-bleu + up-rouge. Idem pour les mésons qui devaient se combiner avec leur anticouleur pour donner une couleur neutre (quark up-rouge avec quark antidown-antirouge donnent un méson π+). La charge du proton égale la somme de la charge des quarks (+2/3 +2/3 -1/3 soit +1, donc positive). Le neutron contenant deux quarks d et un quark u, sa charge est neutre (-1/3 -1/3 +2/3 soit 0).

Parmi les mésons citons le pion (méson π, u et anti-d), le kaon (méson K, s et anti-u), le rho (méson ρ, u et anti-d), le B-zéro (B0, d et andi-b) ou encore le η-c (méson ηc, c et anti-c). Certains comme le kaon présente un nombre quantique d'étrangeté (s). Ces mésons peuvent avoir une charge positive, négative ou neutre.

Comme nous le verrons, CDQ prédit également l'existence du "charmonium" J/ψ (J-psi) une particule constituée des quarks c et anti-c et de bien d'autres particules "charmées" ainsi que des quarks b et t.

A lire : Comment les particules ont acquis leur masse

Les mécanismes de Higgs

Light Particle Solution to the Cosmic Lithium Problem, Phys. Rev.Letters, 2016

Une hypothétique particule X neutre de 1.6-20 MeV/c2 pourrait expliquer le manque de Li-7

Les leptons

La seconde famille de fermions regroupe les leptons, des particules élémentaires constituées de 2 quarks. La lettre "l" de lepton signifie que ces particules sont relativement légères. Mais cette terminologie n'a plus de raison d'être aujourd'hui. Les unes n'ont pas de masse, le muon “pèse” 106 MeV tandis que le tau “pèse” 1777 MeV.

Les physiciens connaissent 6 leptons et 6 antileptons ; en fait 3 leptons de charge électrique négative (électron, muon, tau) auxquels sont associés 3 neutrinos de charge nulle (en réalité leur masse varie entre ~2 eV et 15.5 MeV) plus leur antiparticule. Tous ont un spin égal à 1/2 h. La théorie électrofaible impose que toute paire de lepton est associée à une paire de quarks.

L'électron est le lepton dont la masse est la plus légère. Par définition, comme tous les leptons, il n'a pas de structure, c'est une particule élémentaire. Son énergie de repos vaut 0.511 MeV. Les leptons ne ressentent pas les interactions fortes. S'ils l'étaient, les électrons tomberaient tous sur le noyau empêchant les réactions chimiques et l'existence de la matière. Les électrons sont sensibles aux charges électriques, aux interactions électromagnétiques qui maintiennent les atomes en molécules. Rappelons aussi que même si la masse d'un atome est colossale (99.5 % de la masse de l'hydrogène se trouve dans son noyau), c'est avant tout la charge électrique qui est l'interaction dominante, c'est-à-dire l'interaction électromagnétique de l'électron. L'énergie d'un atome est donc liée avant tout à la valeur de ses charges.

L'interaction forte des gluons

A la différence de l’EDQ où le photon est électriquement neutre et agit sur de courtes distances entre électrons par exemple, en CDQ les gluons portent une interaction de couleur qui peut interagir sur de grandes distances, c’est le confinement. C’est l’expérience de Dick Taylor, Henry Kendall et Jerry Friedman qui permit de découvrir la structure du photon, les quarks, découverte sensationnelle pour laquelle ils seront gratifiés du prix Nobel de Physique en 2004.

Les liens qui maintiennent les quarks sont si forts qu'il est actuellement impossible de les détecter, les accélérateurs de particules n'étant pas en mesure de briser les hadrons, le confinement des quarks provoquant une barrière d'énergie peut-être inaccessible.

A gauche, le détecteur ALICE du LHC du CERN. Cette expérience vise à simuler l'état de la matière juste après le Big Bang. Ce détecteur permet d'étudier l'état de la matière à hautes énergies et hautes températures. Il mesure 25 m de long et 15 m de haut et pèse quelque 10000 tonnes. Il est utilisé par 1000 chercheurs de 29 pays (2012). A droite, le détecteur LHCb. Il permet d'étudier les propriétés des particules et des anti-particules ainsi que les désintégrations rares des mésons b et c. Ce détecteur mesure 21 m de long, 10 m de haut et pèse 5600 tonnes. Le LHCb est utilisé par 650 chercheurs. Documents CERN/Big Science adapté par l'auteur et CERN/IN2P3.

Cette interaction forte peut-être comparée à un élastique aux extrémités duquel nous aurions placé un quark (nous représentons le cas des mésons, composés de deux quarks). Plus l'élastique s'étend plus la force à vaincre devient importante. Si on dépasse son seuil d'élasticité, il se brise, formant deux élastiques. Il suffit alors de placer deux nouveaux quarks à leur extrémité libre pour retrouver un système original. Dans la nature, l'interaction entre quarks agit de même, mais les physiciens ne sont pas encore parvenus à vaincre ce “seuil d'élasticité”.

Les particules exotiques

En une quarantaine d'année, sur quelque 9000 noyaux pouvant théoriquement être créés - isotopes et isotones compris - quelque 5000 ont été étudiés, parmi lesquels 92 seulement sont des noyaux naturels, les 83 premiers étant stables sur Terre. Tous les autres éléments sont instables. En bombardant ces structures avec des énergies de plusieurs milliards d'eV[12], les physiciens ont découvert plus de 291 noyaux stables. La plupart de ces éléments présentent un léger excédant de neutrons qui compense la répulsion électrostatique entre protons.

Les physiciens ont également découvert près de 3000 noyaux exotiques (en 2017) qu'on ne trouve pas naturellement sur Terre mais uniquement dans les accélérateurs de particules et les réacteurs nucléaires. Ces noyaux présentent un défaut de cohésion leur donnant des formes aberrantes, différentes de celle standard de la sphère où toute la masse se concentre au centre. Il existe ainsi des noyaux en forme ellipsoïde (prolate), de soucoupe, de poire, de banane, d'althère, d'anneau et même de bulle comme dans le cas du 34Si.

A lire : Perspectives on the structure of atomic Nuclei, Nat.Acad.Press, 2013

A gauche et au centre classement des noyaux en fonction de leur nombre de protons. Il met en évidence une "vallée de stabilité" (la diagonale noire) où se regroupe les noyaux stables autour de laquelle évoluent les noyaux exotiques. A droite, transformation graduelle de la forme des isotopes du silicium quand on leur ajoute un proton. Documents CEA adapté de NAP (2007), History Rundown et P.Riken.

Parmi ces particules instables (isotopes) citons le 32S qui existe sous 5 formes nucléaires, le 34Mg sous 4 formes et le 20Ne sous 3 formes, etc. Notons que si la plupart de ces isotopes peuvent être créés artificiellement, certains se forment naturellement dans la nature et ne sont donc pas des chimères de laboratoire, comme le 32S justement qui se forme au cours de la réaction triple alpha qui précède l'explosion des supernovae de type II. Les "processus s" et "processus r" (cf. le même lien) permettent également de créer des particules exotiques. Il s'agit donc d'évènements que les astrophysiciens peuvent également étudier. Néanmoins, dans le cas des noyaux lourds, les astrophysiciens ne peuvent pas encore se retourner vers les physiciens pour simuler leur formation car personne n'est encore parvenu à les modéliser tant leur état quantrique fait appel à de nombreux paramètres encore inconnus et que seules les expériences de laboratoire permettent d'étudier. On reviendra sur le sujet à propos de l'asymétrie CP.

Face à toutes ces découvertes et les inconnues existant encore autour des interactions nucléaires, il est certain que le modèle actuel des particules sera amendé dans les années à venir. On en reparlera. En attendant ce jour faste, voici un bref éventail de ces noyaux exotiques.

Le pentaquark

En 2015, les chercheurs du CERN travaillant sur le détecteur LHCb ont découvert une nouvelle classe de particules : le pentaquark. Ce phénomène exotique fut observé lors de la décroissance du baryon Lambda, Λb0, (un hypéron de la famille des fermions) en 3 autres particules, un J/ψ (J-psi ou charmonium fait des quarks c et anti-c), un proton et un kaon chargé (méson K). On doit cette découverte aux quelque 700 chercheurs de la Collaboration LHCb.

Parmi les particules où plus exactement les résonances observées, Pc(4450) est la plus massive avec 4450 MeV/c2. Comme son nom l'indique, ce pentaquark est constitué de 5 quarks : 2 quarks up, un down, un charm et un anti-charm. C'est la combinaison d'un baryon ordinaire et d'un méson. Il présente deux états de spin, 3/2 et 5/2. Notons que les quarks u et d pèsent respectivement 5 et 8 MeV/c2, tandis que le quark c pèse 1270 MeV/c2, ce qui explique la masse élevée de ce pentaquark.

Les physiciens avait déjà observé de telles résonances. En effet, depuis 2003 une dizaine d'observations ont été validées mais les conclusions sont toujours restées au stade des hypothèses jusqu'à cette découverte.

Deux structures possibles du pentaquark : à gauche, les 5 quarks sont fermement liés dans une seule particule tandis qu'à droite ils apparaissent sous forme de "molécule subatomique" de 2+3 quarks en interactions. Les deux états pourraient apparaître alternativement. Document CERN.

Selon Guy Wilkinson, porte-parole du CERN, "le pentaquark n'est pas simplement une nouvelle particule. Il représente une méthode d'agrégation des quarks - les briques fondamentales de la matière ordinaire faite de protons et de neutrons - d'une manière qui n'a jamais été observée en plus de 50 ans de recherches expérimentales. L'étude de ses propriétés pourraient nous aider à mieux comprendre comme la matière ordinaire est constituée".

Actuellement les physiciens ignorent exactement comment se comporte cette particule. En effet, selon Murray Gell-Mann, les baryons apparaissent généralement sous la forme de 3 ou de 2 quarks liés. Aussi, la structure interne du pentaquark peut parfaitement exister sous deux formes : l'une où les cinq quarks sont fermement liés, la seconde dans laquelle deux états "moléculaires" subatomiques de 2+3 quarks sont en interactions. Il est possible que le pentaquark adopte alternativement les deux structures selon qu'il interagit avec des hadrons ou des mésons.

Ce nouveau mode d'agrégation des quarks pourrait aider les physiciens à mieux comprendre comme se forme la matière au niveau élémentaire. Notons que l'analyse technique fut publiée dans les Physical Review Letters.

Gell-Mann pense que les chercheurs "pourraient découvrir de plus en plus de particules de ce type, faites de quarks et d'anti-quarks et de différentes combinaisons. Et de même concernant les gluons. Il pourrait exister une particule constituée de gluons et d'aucun quark".

En fait, rien n'empêche de découvrir de tels hybrides faits de gluons, de quarks et antiquark et même de tétraquarks composés de 4 quarks ou de barionium composé de 6 quarks.

Le tétraquark

Gell-Mann avait raison. Le 24 février 2016, Dmitri Denisov, porte-parole de la Collaboration D0 (D-Zéro), une équipe internationale de physiciens comprenant des membres du Fermilab, de l'IN2P3 (CEA/CERN) et d'autres laboratoires de recherches, annonça la découverte du tétraquark. Cette structure exotique nommée temporairement X(5568) se compose des quarks u, d, b et s. Sa masse est de 5568 MeV/c2. Notons que cette particule n'entre pas dans le modèle des quarks en raison de son nombre quantique angulaire total (J = s+l).

Représentation d'un tétraquark constitué des quarks u, d, b et s. Doc Fermilab/SLAC.

Cette découverte est le résultat de l'analyse de milliards de collisions proton-antiproton et leur décroissance en 25000 mésons, représentant un total de 180000 milliards de collisions subatomiques !

Comme on le voit dans les diagrammes ci-dessous, un peu à la manière du pentaquark, le tétraquark X se désintègre par interaction forte en pion positif et méson lourd B° (par ex. b + anti-d) qui décroît ensuite en mésons J/ψ(c anti-c) et φ (Phi, s et anti-s), le premier décroissant en muons chargés (mésons μ), le second en kaons chargés (mésons K). D'autres modes de décroissances génèrent également des pions chargés (mésons π).

En fait la découverte était prévisible. En effet, le premier tétraquark, la résonance X(3872), fut découvert en 2003 au cours de l'expérience BELLE du laboratoire K2K installé au Japon qui consista à provoquer la collision d'un proton et d'un antiproton à une énergie de 1.96 TeV. La masse de repos de ce tétraquark est de 3871.3 MeV/c2.

Une seconde résonance Z(4430) fut observée en 2007 composée des quarks d, anti-u, c et anti-c. Puis les physiciens du Fermilab observèrent la résonance Y(4140) en 2009 qui contient des quarks charmés et un peu plus tard les résonances Y(4274) et X(4350) tandis que le Z(4430) fut découvert grâce au LHCb en 2014, tous comprenant notamment des quarks c et anti-c. Enfin, en juin 2013 une équipe internationale (BESIII, BELLE et KEK) découvrit Zc(3900). D'un point de vue statistique, il y a moins d'une chance sur 3.5 millions que ces résonances soient le fruit du hasard. Tous ces tétraquarks décroissent également en mésons dont le charmonium J/ψ et en particules plus légères, Φ, σ, μ, π ou K.

Jusqu'à présent ces candidats tétraquarks contenaient deux quarks identiques aux antiparticules près. Mais le X(5568) est le plus étonnant car les quatre quarks sont différents. En cherchant dans les archives du Tevatron du Fermilab qui fonctionna de 1983 à 2011 et permit notamment la découverte du quark top (1995), la Collaboration D0 retrouva la signature du tétraquark dans les données de collisions entre particules qui se sont déroulées en cours des 28 ans que fonctionna l'installation. Ce n'est donc pas une particule rare. D'ailleurs lors de l'expérience KEK, les physiciens ont découvert 159 tétraquarks Zc(3900) et BESIII en découvrit 307 de plus.

Exemples d'expériences de décroissance d'un méson lourd B° en méson "jpsi" ou J/ψ qui permet de mettre en évidence la nature tétraquark du méson scalaire. A gauche, le schéma général de la collision entre proton et antiproton impliquant leur décroissance en tétraquark X qui décroît en pion et méson étranges B° (quarks b et anti s) avant de décroître lui-même en charmonium J/ψ (quarks c et anti-c) et méson Phi (Φ, quark s et anti-s) qui se désintègrent en mésons plus légers. A droite, détail des réactions impliquant un méson B° "Bzb" (quark b et anti d). Le tétraquark apparaît dans la combinaison des 4 quarks dans les diagrammes de Feynmann c et d. Documents Collaboration D0/Fermlilab et Collaboration D0/Sheldon Stone/Liming Zhang (2016).

Se pose à présent la question de savoir combien de quarks peuvent ainsi s'assembler pour former une particule ? Si les physiciens ont observé un groupe de 5 quarks, en théorie il n'y a pas de limite.

Les monopôles

Dans les années trente, Dirac[13] supposait l'existence de particules ayant une charge magnétique unique, les monopôles qui ne disposeraient pas du second pôle de signe opposé.

Ces particules sont uniques en leur genre. Prenons l’analogie des aimants. Si vous brisez un aimant en deux parties, jusqu’à l’échelle atomique chacune d'elle présentera toujours un pôle attractif et un pôle répulsif. Et même à l’échelle atomique, l’unique proton et l’unique électron de l’atome d’hydrogène se repoussent encore. Le monopôle serait une particule insolite dans le sens où elle ne disposerait pas du second pôle magnétique.

Les théories de Grande Unification qu'on retrouve en cosmologie considèrent que les monopôles peuvent exister isolément mais doivent avoir une masse colossale, quelque 1020 fois celle du proton, soit ~1021 eV ou 1011 GeV ! Imaginez qu’avec seulement 1000 monopôles vous auriez une masse pesant presque 2 grammes ! (1 GeV = 1.783 x 10-24 g).

En 2011, D.Milstead et E.J. Weinberg ont fait la revue de l'état des recherches sur les monopôles. Ils précisent qu'en fonction des conditions physiques (accélération, champ magnétique, etc), la masse du monopôle est estimée entre 1011 et 1018 GeV. Mais à ce jour, bien que près de 3000 scientifiques recherchent cette particule hypermassive, comme le confirme cette étude du CERN publiée par l'équipe d'ATLAS en 2015, aucun monopôle n'a été découvert.

Prochain chapitre

Les particules virtuelles

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[7] Nous conserverons le terme de masse dans les pages qui suivent mais il faut préciser qu'il s'agit en réalité de la masse de repos des particules sachant que la masse dite inerte varie selon la vitesse du corps (cf. la relativité restreinte).

[8] Le mot "quark" est un néologisme - comme chacun le sait aujourd'hui - que Gell-Mann trouva dans un vers de "Finnegans Wake" de James Joyce, "Three quarks for Muster Mark !" dans laquelle les personnages allaient toujours par trois (Ed.Mandarin Paperback, Minerva, 1992, ch.4, p383, cf. cette version PDF). Noter que pour respecter l’esprit de James Joyce, dans la version française publiée chez Gallimard/NRF, le sens de cette phrase a été modifié (cf. ledit livre, 1982, p407) ce qui est dommage car ce néologisme fait aujourd'hui partie de notre culture scientifique. Il fut réédité en version bilingue Anglais/Français par Gallimard en 1997. Notons que la lecture de la version anglaise exige un très bon niveau d'anglais et un vocabulaire très riche et fleuri, sans même parler des quelques néologismes.

[9] Les propriétés des particules sont tenues à jour et publiées dans le "Particle Physics Booklet" (348 pages en 2014) édité par le Particle Data Group et disponible à la bibliothèque du CERN (Bldg 52-1-52) . Il existe également une version détaillée de 1676 pages. Il existe également une version pour appareils mobiles sous Android.

[10] Nous savons seulement que les électrons de plusieurs dizaines de GeV sont diffusés par un grand nombre de sous-structures à l'intérieur des protons, mais il s'agit des gluons et des produits de leurs interactions.

[11] La charge de l'électron (Q=-1) égale 1.602 x 10-19 Coulomb.

[12] Des collisions frontales de 2000 GeV ont été réalisées au Fermilab. Précisons que nous continuerons à utiliser l'abréviation eV par clarté bien qu'en réalité il s'agisse de l'équivalent d'une masse, soit eV/c².

[13] P.Dirac, Proceedings of the Royal Society of London, A133, 1931, p60.


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