Une particule repérée dans un accélérateur chinois il y a quinze ans pourrait être constituée principalement de gluons, les particules qui maintiennent les quarks liés dans les protons et les neutrons. Les dernières mesures de l'expérience BESIII renforcent cette interprétation pour X(2370), un objet dont la nature restait incertaine.
Habituellement, les particules formées par l'interaction nucléaire forte contiennent des quarks. Les gluons assurent leur liaison, un peu comme une colle à une échelle infiniment plus petite que l'atome. La théorie prévoit pourtant que des gluons puissent aussi se lier entre eux sans quarks de valence. Un tel assemblage est appelé « glueball », littéralement une boule de gluons.
Un noyau atomique classique est constitué de quarks (ici les petites sphères colorées), maintenus ensemble par lots de trois avec des gluons (les liens blancs). Chaque lot de trois quarks ainsi liés forme un proton ou un neutron.
Source : FIJ PAN
Le principe est prédit depuis des décennies, mais reconnaître un glueball dans les expériences est difficile. Les particules produites dans les accélérateurs disparaissent presque aussitôt et sont identifiées grâce aux particules dans lesquelles elles se transforment. Plusieurs candidats peuvent en outre partager des caractéristiques proches.
BESIII l'étudie grâce aux désintégrations du méson J/ψ, une particule produite en grand nombre au collisionneur électron-positon de Pékin. L'expérience dispose désormais d'environ 10 milliards d'événements J/ψ. Cette quantité permet d'examiner des transformations très rares et de comparer avec précision les différentes façons dont X(2370) peut se désintégrer.
Une pièce récente du puzzle vient justement d'une transformation que les physiciens s'attendaient à pouvoir détecter selon certaines interprétations de X(2370). Ils ont recherché une désintégration passant par une particule appelée K*(892), mais n'en ont trouvé aucune preuve. Cette absence apporte une information sur la composition de X(2370).
Concrètement, les données indiquent que X(2370) se comporte comme un état qui ne privilégie aucune des trois familles légères de quarks. Cette propriété rejoint plusieurs autres indices déjà mesurés : sa masse, ses caractéristiques quantiques, sa production dans les désintégrations du méson J/ψ et les façons dont elle se transforme correspondent aux attentes pour le glueball le plus léger de cette catégorie.
Les auteurs parlent d'un glueball comme composant dominant, plutôt que d'une particule nécessairement constituée de gluons purs. Cette nuance compte, car les états produits par l'interaction forte peuvent se mélanger. Les mesures doivent donc distinguer une forte composante gluonique d'autres structures possibles contenant encore des quarks.
Les prochaines mesures pourront tester cette interprétation dans d'autres voies de désintégration et préciser la part réellement attribuable aux gluons. BESIII dispose pour cela de son immense échantillon de J/ψ, qui permet de rechercher des transformations encore plus rares de X(2370) et de confronter chacune d'elles aux prédictions.