Des chercheurs du Grand collisionneur de hadrons du CERN en Suisse ont récemment détecté une particule extrêmement rare qui, selon eux, existait au tout début de l’univers. La particule – appelée particule X pour l’instant, car personne ne sait exactement ce que c’est – a été produite par la collision de milliards d’ions lourds à l’intérieur du célèbre accélérateur de particules.
L’équipe de la collaboration CMS, qui collecte les données du solénoïde compact à muons du LHC, a écrasé des atomes de plomb lourds à des températures d’environ 5,5 billions de degrés Celsius (9,9 billions de degrés Fahrenheit). Les résultats de l’équipe sont publié dans les lettres d’examen physique.
Les physiciens théorisent que, dans les premiers instants de l’univers après le Big Bang, la matière était un plasma composé de quarks et de gluons subatomiques entassés dans une soupe surchauffée. (Ce n’est que lorsque le plasma s’est refroidi plusieurs microsecondes après le Big Bang que les protons et les neutrons familiers ont pris forme, ouvrant la voie à des formes de matière beaucoup plus massives.) Mais avant que le matériau ne refroidisse, certains de ces quarks et gluons sont entrés en collision, formant particules plus énigmatiques, que les physiciens appellent particules X.
Les particules X sont rares aujourd’hui parce que l’univers n’est plus aussi dense ni aussi chaud, mais comme Krishna Rajagopal, un physicien des particules au MIT qui n’est pas affilié aux recherches récentes, dit en 2010: « Si vous vous intéressez aux propriétés de l’univers vieux de quelques microsecondes, la meilleure façon de l’étudier n’est pas de construire un télescope, c’est de construire un accélérateur. »
L’équipe a pu identifier 100 particules X d’une masse spécifique, appelée X(3872), qui ont survécu pendant environ un sextillionième de seconde avant de se désintégrer. X(3872) a été trouvé pour la première fois en 2003 par le Belle collaboration via la chasse aux bosses, c’est-à-dire lorsque les chercheurs identifient une quantité inattendue de masse ou d’énergie dans leur système.
« Le X(3872) est un animal étrange », a déclaré Patrick Koppenburg, physicien à l’Institut national néerlandais de physique subatomique et membre de l’équipe LHCb au CERN, dans un e-mail à Gizmodo. « J’étais à Belle quand ça a été découvert, et je me souviens qu’on regardait la petite bosse sans comprendre ce qui se passait. »
L’année dernière, KoppenbuL’équipe de rg à LHCb a découvert une nouvelle espèce de tétraquark. Comme X (3872), ce tétraquark avait une durée de vie éphémère, probablement un peu plus d’un quintillionième de seconde. Bien que d’autres particules exotiques apparaissent et disparaissent au LHC, X(3872) est la première particule X détectée dans le plasma quark-gluon qui y est généré.
L’équipe à l’origine de la nouvelle étude a pu imiter les conditions de l’univers primitif en accélérant 13 milliards d’ions. Lorsque les particules sont entrées en collision, elles ont produit des milliers de particules chargées à courte durée de vie. Yen-Jie Lee, physicien au MIT et co-auteur de la nouvelle recherche, a déclaré à Gizmodo qu’il est possible que d’autres particules X se trouvent dans les données récentes, mais les chercheurs n’avaient pas un bon moyen de les distinguer de la bruit de fond.
« Le premier ion lourd du ‘Run 3’ commence à la fin de cette année, et nous espérons accumuler plus de données avec les collisions plomb-plomb des Run 3 et Run 4 », a écrit Lee dans un e-mail. « Avec un ensemble de données beaucoup plus important, nous serons en mesure de déterminer la taille de l’amélioration de la production de X dans la soupe de quarks et d’avoir plus d’informations sur sa structure interne. »
L’identité de X(3872) est encore incertaine. L’équipe pense que la particule pourrait être un type de molécule mésonique faiblement liée (deux particules subatomiques appelées mésons liées par la force forte) ou un tétraquark, un type de hadron composé de quatre quarks glomés ensemble. « Jusqu’à présent, les molécules mésoniques ne sont pas encore définitivement observées, et X (3872) est un bon candidat », a déclaré Jing Wang, physicien au MIT qui a dirigé l’analyse des nouvelles données., dans un e-mail à Gizmodo. « Si X(3872) s’avère être une molécule mésonique, nous montrons que dans l’univers primitif, il doit y avoir différents types de molécules mésoniques en plus des hadrons ordinaires. »
« Plus je regarde les données, plus je suis convaincu que le X est une superposition d’une molécule et d’un état de charmonium », Koppenbudit rg. Décrivant plus en détail l’idée de superposition, il a noté : « Notre cerveau ne parvient pas à représenter ces choses. … L’un ou l’autre n’existe pas en mécanique quantique. Si vous ne pouvez pas distinguer deux choses, alors la vérité doit être les deux simultanément.
Peut-être que les prochaines exécutions du LHC résoudront enfin l’identité de X(3872). Bien sûr, il aurait alors un vrai nom et ne serait plus considéré comme une particule X.
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