Puissance au pentaquark

A propos des quarks

Qu’y a-t-il à l’intérieur d’un atome ? Qu’y a-t-il à l’intérieur d’un proton ? Ce sont des questions que se posent les physiciens, qui cherchent à comprendre la matière au niveau le plus fondamental.

Un atome contient un noyau, composé de protons et de neutrons, entouré d’un nuage d’électrons. Les expériences qui sondent plus profondément découvrent que les électrons ne présentent aucune structure, mais que les protons et les neutrons en présentent une. Ils contiennent des particules fondamentales appelées quarks, qui s’attirent si fortement qu’elles ne peuvent exister en tant que particules libres dans des conditions ordinaires. Les cosmologistes pensent que dans les conditions incroyables qui ont suivi le Big Bang, les quarks pourraient exister librement dans ce qu’on appelle le plasma quark-gluon, un état de la matière que certains physiciens des particules tentent de créer en laboratoire. (Voir Nucléi Knockdown)

Diagramme de la structure des quarks des protons et des neutrons (schéma gracieuseté du Brookhaven National Laboratory)

Comment savons-nous que les quarks existent ? Nous devons le déduire de mesures indirectes, car nous ne pouvons pas observer un quark libre. Par exemple, lorsque des électrons de très haute énergie entrent en collision avec des protons, la distribution des particules après la collision montre qu’il y a de minuscules particules à l’intérieur des protons.

Les quarks existent en six « saveurs » évocatrices – haut, bas, étrange, charmé, inférieur et supérieur – et pour chacune d’elles, il existe un antiquark. (Voir Le buzz sur l’antimatière)

Les combinaisons des quarks up et down constituent les particules nucléaires – deux quarks up et un down pour le proton, et un quark up et deux down pour le neutron, comme le montre le schéma. Les charges des quarks se combinent pour donner la charge du proton et du neutron, comme indiqué ci-dessous et dans le tableau.

Proton = quark haut + quark haut + quark bas
Charge du proton:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3

Neutron = quark haut + quark bas + quark bas
Charge du neutron :
0 = 2/3 -1/3 – 1/3

Un autre type de particule, le méson, est composé de deux quarks ou, plus précisément, d’un quark et d’un anti-quark. Par exemple, le pi-plus est constitué d’un quark up et d’un quark anti-down. Cela nous donne deux types de particules composées de quarks – les particules subatomiques nucléaires (le proton et le neutron) et les mésons. Pourrait-il y en avoir plus ?

Recherche

Selon le modèle standard, les protons, les neutrons, les pimésons et d’autres particules connexes sont composés de diverses combinaisons de quarks. Dans cette théorie, une particule composée de cinq quarks – le pentaquark – est possible. Un vieux dicton de la physique dit que « Tout ce qui n’est pas interdit est nécessaire ». C’est peut-être dans cet esprit que les physiciens recherchent la particule à cinq quarks depuis 30 ans. En 1997, cette recherche a reçu une nouvelle orientation avec la prédiction de trois physiciens russes selon laquelle le pentaquark, composé de deux quarks up, de deux quarks down et d’un quark anti-strange, aurait environ 1.5 fois la masse du proton et pourrait être détecté avec la technologie actuelle de la physique des particules.

La production d’un pentaquark par l’absorption d’un rayon gamma (ligne ondulée) par un noyau. Le pentaquark se désintègre si rapidement qu’il ne peut pas être observé, son existence doit donc être déduite des observations des rayons gamma et des mésons K+ qui sont produits lorsque le pentaquark se désintègre (image fournie par Physics News Graphics, American Institute of Physics).

Le détecteur de mésons K au Jefferson Lab (JLab), l’un des laboratoires où le pentaquark a été observé (photo gracieuseté de Greg Adams, Jefferson Lab).

Le pentaquark est produit en bombardant des noyaux légers avec des rayons gamma de haute énergie, comme le montre le schéma. Le pentaquark lui-même ne peut pas être détecté, car il ne vit qu’environ 10 à 20 secondes avant de se désintégrer en un neutron et un méson K+ (voir la partie supérieure droite du diagramme). Les observations du méson et des rayons gamma ont permis d’établir la présence du pentaquark, et trois expériences supplémentaires ont confirmé ce résultat.

Cette nouvelle sorte de particule exotique a fait grand bruit dans le monde de la physique. Comme cela arrive souvent, la découverte a soulevé de nouvelles questions intéressantes, car il s’avère que la théorie même qui a conduit les expérimentateurs à leur découverte ne prédit pas correctement toutes les propriétés du pentaquark. Une théorie concurrente est déjà apparue, et comme les deux théories prédisent des particules non encore découvertes, et de masses différentes, les expériences futures pourraient résoudre ce désaccord. En tout cas, c’est une période passionnante pour la physique des particules.

Liens

Lawrence Berkeley National Lab

• L’aventure des particules

L’accélérateur linéaire de Stanford

• Théorie des particules

L’Exploratorium/CERN

. Exploratorium/CERN
• Le modèle standard

Construction du détecteur du Jefferson Lab (photo courtoisie du Jlab/Département de l’énergie).