Des scientifiques découvrent une nouvelle particule qui bouleverse notre compréhension de la formation de la matière

Au-delà de l’atome, le grand plongeon dans la matière

Depuis longtemps, le monde scientifique sait que les atomes constituent les briques fondamentales de la matière. L’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, reconnue sous l’acronyme CERN, s’intéresse à ce qui se trouve au-delà de ces structures élémentaires. Les chercheurs sondent une soupe mésionique et baryonique qui donne naissance à la matière en liant les quarks entre eux.

Pour accomplir cette tâche de précision, les scientifiques de l’organisation utilisent des collisionneurs massifs. Ces installations gigantesques sont capables de projeter des particules les unes contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière.

Une fois ces collisions effectuées, des détecteurs ultra-sensibles entrent en action pour donner un sens aux conséquences chaotiques de ces impacts. Le Grand collisionneur de hadrons, ou LHC, est spécialisé dans la découverte de nouvelles particules subatomiques, un domaine de recherche où les résultats continuent de s’accumuler. Récemment, l’équipe du CERN a d’ailleurs annoncé la mise au jour d’une toute nouvelle entité baptisée Ξcc⁺, ou Xi-cc-plus, pesant quatre fois plus lourd qu’un proton. Cette particule pourrait aider la communauté scientifique à dresser un tableau plus précis de la manière dont la matière se forme.

Un détecteur de pointe pour traquer les quarks

Aucun appareil n’est mieux équipé pour analyser ces impacts que le Grand collisionneur de hadrons. Cette infrastructure est notamment devenue mondialement célèbre pour avoir permis la découverte du boson de Higgs en 2012.

L’installation abrite un instrument très spécifique : le détecteur LHCb, pour Large Hadron Collider beauty. Cet équipement a été spécialement conçu pour étudier le quark beauté, parfois nommé quark bottom. En 2023, ce détecteur a bénéficié d’une mise à niveau majeure de ses composants.

Et maintenant, seulement trois ans plus tard, les chercheurs travaillant avec le LHCb ont identifié un nouveau type de particule, selon un communiqué de presse du CERN. Les résultats de cette observation affichent une signification statistique de sept sigma, un niveau situé bien au-dessus du seuil officiel de découverte fixé à cinq sigma. Ces données inédites ont été révélées au début de cette semaine en France, lors de la conférence Rencontres de Moriond Electroweak.

La recette complexe des familles de quarks

Pour comprendre cette observation, il faut analyser la nature des quarks. Ces éléments se déclinent en six « saveurs » différentes : up, down, strange, charm, top (ce dernier étant parfois appelé truth), et bottom (souvent nommé beauty).

Dans la nature, ils se combinent généralement par paires ou par trios pour former des particules distinctes, comme les mésons et les baryons. L’ensemble de ces combinaisons est connu collectivement sous le nom de hadrons.

Certains hadrons se distinguent par leur grande stabilité. C’est le cas des protons, qui contiennent deux quarks up et un quark down. La majorité des hadrons n’existent toutefois que pendant d’infimes fractions de seconde avant de se désintégrer irrémédiablement en d’autres particules subatomiques.

Le profil furtif du baryon Xi-cc-plus

En fracassant des protons les uns contre les autres, les chercheurs parviennent à créer brièvement les particules éphémères qu’ils souhaitent étudier. Au sein du détecteur LHCb, ces collisions intenses ont révélé un nouveau baryon composé de deux quarks charm et d’un quark down.

C’est cette association qui forme la particule nommée Ξcc⁺, ou Xi-cc-plus. Les scientifiques ont réussi à l’observer pendant 45 femtosecondes, sachant qu’une femtoseconde équivaut à un millionième de milliardième de seconde.

Vincenzo Vagnoni, porte-parole de LHCb, a détaillé l’importance de ce travail dans une déclaration à la presse : « Ceci est la première nouvelle particule identifiée après les mises à niveau du détecteur LHCb qui ont été achevées en 2023, et seulement la deuxième fois qu’un baryon avec deux quarks lourds a été observé ». Il a complété son explication scientifique : « Le résultat aidera les théoriciens à tester les modèles de chromodynamique quantique, la théorie de la force forte qui lie les quarks non seulement dans des baryons et mésons conventionnels mais aussi des hadrons plus exotiques tels que les tétraquarks et pentaquarks ».

Une prouesse technologique au service de l’imagerie

Les équipes de recherche ont confirmé que cette nouvelle particule affiche un poids quatre fois supérieur à celui d’un proton. Elle présente de nombreuses similitudes avec une autre particule découverte en 2017, connue sous l’appellation Xi-cc-plus-plus, qui renfermait deux quarks charm et un quark up.

Malgré cette ressemblance structurelle, Xi-cc-plus possède une durée de vie six fois plus courte. Cette nature extrêmement fugace rendait sa détection beaucoup plus difficile pour les instruments actuels.

Stefano De Capua, chercheur de l’Université de Manchester ayant dirigé la production du module de détection en silicium, a expliqué le rôle crucial de l’équipement dans une déclaration à la presse : « Le détecteur est une forme de ‘caméra’ qui image les particules produites au LHC et prend des photographies 40 millions de fois par seconde ». Il a ajouté un détail sur les composants : « Il utilise une puce en silicium conçue sur mesure qui a également une variante pour une utilisation dans les applications d’imagerie médicale ».

Si Xi-cc-plus ne rivalise pas directement avec l’importance des découvertes historiques du LHC, en particulier celle du boson de Higgs, l’événement représente une pièce indéniablement significative du puzzle subatomique, un puzzle qui se met très lentement en place sous les yeux des chercheurs.

Selon la source : popularmechanics.com