La matière observable qui vous entoure dans l’Univers est en grande partie constituée de quarks. Ces particules élémentaires se combinent en formant des particules composites appelées des hadrons — les protons et le neutrons en font partie. Ces hadrons sont habituellement composés de deux à trois quarks. Mais les physiciens découvrent, depuis quelques années, l’existence de hardons « exotiques » composés d’une plus grande quantité de quarks.
Le CERN, où est situé le grand collisionneur de hadrons (un accélérateur de particules), a annoncé ce 29 juillet 2021 avoir découvert un nouveau hadron exotique de ce type. C’est un tétraquark, c’est-à-dire un hadron composé de deux quarks et de deux antiquarks. Les physiciens lui ont conféré le doux nom de Tcc+.
Sauf que ce tétraquark est un peu plus exotique que beaucoup d’autres, car il sort encore davantage de l’ordinaire. « Cette découverte est celle d’un hadron exotique particulièrement unique, un hadron exotique-exotique en quelque sorte », annonce le CERN.
Deux fois plus de « charme »
Pour comprendre ce qui rend ce hadron exotique si unique, il faut d’abord rappeler que les quarks sont définis par ce que les physiciens appellent des « saveurs ». Il y en a plusieurs, aux noms des plus poétiques : down, up, strange, charm, beauty, truth. Ces saveurs font référence à des valeurs quantiques. Pour schématiser, un hadron comprenant un quark charm et un antiquark charm a un nombre quantique de zéro. Effectivement, les quarks charm apportent une valeur de 2, mais l’antiquark charm étant de l’antimatière, il apporte la même valeur opposée, -2, ce qui s’annule à 0.
Le nouveau hadron exotique découvert, Tcc+, contient deux quarks charm. Mais il ne contient pas deux antiquarks charm. Ses deux autres quarks sont un up et un down. Les deux quarks charm s’additionnent, sans être contrebalancés. « En l’occurrence, le nombre quantique en charm est de deux, donc il a deux fois plus de charme ! », commente le CERN.
La particule Tcc+ (le grand cercle rouge) contient deux quarks et deux antiquarks (les bulles à l'intérieur, sur l'infographie). Les deux quarks ont la saveur charm, mais ne sont pas contrebalancés par des antiquarks charm. C'est la première découverte de ce type.
Source : CERN
Ce n’est pas tout, car la présence de saveurs up et down pour les antiquarks, face à deux quarks charm, constitue aussi une nouvelle découverte tout à fait unique. Les saveurs up et down sont plus légères que charm. « C’est la première particule découverte qui appartient à une classe de tétraquarks avec deux quarks lourds et deux antiquarks légers », explique le CERN.
« Tcc+ est le hadron exotique à la durée de vie la plus longue découvert à ce jour. »
Or, ce déséquilibre a un impact sur la vitesse de désintégration du hadron : puisque sa désintégration devrait être plus compliquée, il a une longue durée de vie, ce qui est là encore unique pour ce type de particule. « En effet, Tcc+ est le hadron exotique à la durée de vie la plus longue découvert à ce jour. »
Le CERN décrit cette particule comme « fascinante », et conclut son annonce en indiquant que, pour la suite, ce tétraquark Tcc+ est « une cible séduisante pour une étude plus approfondie ». Cela pourrait apporte une contribution précieuse dans la mise à l’épreuve des modèles physiques actuels et permettre d’accéder à des aspects jusqu’alors inaccessibles. Au-delà de nouvelles quêtes ciblant cette particule doublement exotique, il y a encore d’autres particules à découvrir qui pourraient être, elles aussi, doublement exotiques à leur manière.
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