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Posté par Redbran le Vendredi 25/03/2016 à 12:00
D0 découvre une particule exotique à quatre saveurs
La collaboration D0, dont le coordinateur de la Physique est un physicien de l'Irfu, vient d'annoncer l'observation d'un tout nouveau tetraquark, assemblage de quatre quarks, appelé X(5568). La famille de ces particules exotiques s'enrichit pour la première fois d'un membre composé de quatre quarks de saveurs différentes: up, down, étrange et beau. Les résultats de cette analyse ont été soumis à la revue Physical Review Letters en février 2015. Cette découverte ouvre une nouvelle fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) sur l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) forte qui lie les quatre quarks entre eux et aide les théoriciens à développer les modèles: trois semaines après l'annonce, on compte déjà une vingtaine d'interprétations théoriques publiées sur le site ArXiv.


Crédit Symmetry Magazine (http://www.symmetrymagazine.org/article/fermilab-scientists-discover-new-four-flavor-particle)

Les particules élémentaires du modèle standard appelées quarks existent en six saveurs: up, down, étrange, charme (Les charmes constituent un genre d'arbres et d'arbustes de la famille des Bétulacées (sous-famille des Coryloïdées) des régions...), top et beau. L'immense majorité des hadrons, particules composées de quarks, sont des mésons, assemblages d'un quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.) et d'un antiquark, ou des bayons, assemblages de trois quarks. Par exemple le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) est composé essentiellement de deux quarks up et d'un quark down, alors que le neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons,...) est composé de deux quarks down et d'un quark up. Néanmoins, rien n'interdit dans la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou l’expérience,...) de l'interaction forte, la Chromodynamique Quantique (La chromodynamique quantique, acronyme QCD de l'anglais Quantum ChromoDynamics, est une théorie physique qui décrit l’interaction forte, l’une des forces...), l'existence d'assemblages exotiques comme des tetraquarks, assemblages de deux quarks et de deux antiquarks, ou même des pentaquarks, assemblages de quatre quark et d'un antiquark. L'expérience LHCb du Cern a annoncé l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) d'un pentaquark (Un pentaquark est une particule subatomique composée par un groupe de cinq quarks, alors que les baryons normaux sont composés de trois quarks et les mésons, de deux.) en juillet 2015. En ce qui concerne les tetraquarks, l'observation de premiers candidats est due à l'expérience Belle au Japon, en 2003. Depuis, une poignée d'autres candidats tetraquarks ont été observés dans différentes expériences comme Belle, Babar et CDF, mais la preuve indubitable que ces particules sont bien des tetraquarks n'est pas faite.

D0 est une des deux expériences installées sur le collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) proton-antiproton du Fermilab, aux Etats-Unis, le Tevatron. Bien que le collisionneur ait cessé de fournir des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) en 2011, les groupes de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) continuent d'analyser les milliards de collisions enregistrées à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) de pépites comme le X(5568). Il se désintègre en un méson (Un méson est, en physique des particules, une particule composite (c’est-à-dire non élémentaire) composée d'un nombre pair de quarks et d'antiquarks.) Bs (formé de quarks beau et étrange) et un pion (Le terme Pion peut désigner :) (formé de quarks up et down) qui se désintègrent tous deux par interaction faible après des distances de vol caractéristiques. L'analyse des 10 inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y...) femtobarns de données enregistrées entre 2002 et 2011 identifie le Bs via ses produits de désintégration, un J/psi et un phi qui décroissent eux-mêmes en une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) de muons et une paire de mésons K chargés (voir figure ci-dessous).


Crédit Fermilab news (http://news.fnal.gov/2016/02/dzero-discovers-a-new-particle-consistent-with-a-tetraquark/)

La distribution en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) (voir figure ci-dessous) de l'état final formé d'un méson Bs et d'un pion montre un excès de 133 ± 31 événements sur le fond attendu (en pointillés sur la figure) à une masse de 5,568 GeV. La probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance...) que cet excès provienne de la fluctuation du fond est inférieure à 1/6 millions (soit une significance de 5,1 sigma). C'est le signe de la production d'une particule inconnue jusque-là, le X(5568). La largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures...) du pic en masse du nouvel état est relativement grande, 22 MeV, ce qui indique que X(5568) se désintègre par interaction forte. Mais l'interaction forte ne permet pas de modifier la saveur des particules (contrairement à l'interaction faible). Si l'état final Bs+pion contient quatre saveurs différentes, c'est que l'état initial X(5568) contient aussi quatre saveurs différentes, donc nécessairement quatre quarks: ceci semble être la preuve de son exotisme.


Légende de l'image

Il s'agit maintenant de confirmer de façon indépendante l'existence de cette particule, ce qu'ont commencé à faire les expériences du LHC. Puis il faudra mesurer ses propriétés afin de comprendre comment cet état exotique se forme et quelle est sa structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet...), par exemple un état à quatre quarks liés (image ci-dessous) ou bien une "molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...)" composée de deux paires de quarks (image de droite).


Crédit Fermilab news (http://news.fnal.gov/2016/02/dzero-discovers-a-new-particle-consistent-with-a-tetraquark/)

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Source: CEA-IRFU