En analysant les données du détecteur LHCb installé au Large Hadron Collider, les scientifiques ont trouvé des preuves fiables de l'existence d'une particule unique - un tétraquark doublement charmé. Et peu importe à quel point son nom semble bizarre pour une personne qui n'est pas familière avec le modèle standard, il donne aux physiciens des informations encore plus étranges: il semble que les idées scientifiques modernes sur la structure du monde devront à nouveau être assez bouleversées.
Un cours de physique dans une école d'enseignement général donne une image du micromonde ainsi qu'une image incomplète. Toute personne intéressée par les sciences naturelles a tôt ou tard fait face à ce choc - il s'avère que tout ne se limite pas aux protons, neutrons, électrons, photons et neutrinos. Il y a aussi des quarks, des leptons, des bosons, et les particules subatomiques qui nous sont "familières" sont généralement une "soupe" d'éléments beaucoup plus petits. Eh bien, à l'exception des électrons et des photons - tout est avec eux, pour ainsi dire, ils sont indivisibles.
Presque toute la matière qui nous entoure est constituée de baryons, c'est-à-dire de particules lourdes: des neutrons et des protons stables. Ils ont à leur tour une structure relativement simple - trois quarks chacun. Il existe également des mésons instables constitués d'une paire quark-antiquark, mais dans cette histoire, ils ne sont pas si importants. Si nous allons complètement plus loin, cette image n'est toujours pas complète, car il existe des informations quelque peu différentes concernant le proton. En tout cas, les physiciens sont déterminés depuis longtemps sur le rôle des quarks, leur ayant décerné le titre de "blocs de construction" fondamentaux de l'univers, à partir desquels toutes les grosses particules sont "recrutées". Et cela est définitivement prouvé avec un degré de fiabilité suffisant (mais ce dont ils sont eux-mêmes formés est une question de longs différends qui n'approchent pas encore de la résolution des différends).
Le problème est le suivant. Il n'y a pas de lois de la nature qui interdiraient aux quarks de se rassembler non pas en deux ou trois, mais en grande quantité. Des particules exotiques similaires ont été prédites par plusieurs physiciens théoriciens dans les années 1960. Cependant, du fait que jusqu'à récemment, les scientifiques ne disposaient pas d'outils avancés de filtrage du bruit sur les installations expérimentales, ils ne pouvaient pas être détectés. La situation a radicalement changé au 21e siècle dans le contexte du développement de la technologie informatique. Et depuis 2003, les découvertes affluent comme une corne d'abondance: aujourd'hui, plusieurs dizaines de tétraquarks (quatre quarks) et une paire de pentaquarks (cinq quarks) sont connus.
Toutes ces particules exotiques partagent plusieurs propriétés communes à la fois. Premièrement, ils sont extrêmement instables et leur durée de vie est calculée en zeptosecondes (sextillions de fractions de seconde). Deuxièmement, bien qu'ils ne contredisent pas le modèle standard, ils ne s'y intègrent pas. En d'autres termes, leur rôle est totalement incompréhensible et l'existence des pentaquarks dans la nature est totalement discutable (ils n'ont été obtenus qu'intentionnellement au cours d'expériences spéciales). Mais le tétraquark récemment découvert à deux reprises ouvertement charmé, même dans ce contexte inhabituel, a réussi à se démarquer.
La plus exotique de toutes les particules exotiques
La découverte d'un tétraquark inhabituel lors de la Conférence sur la physique des hautes énergies de la Société européenne de physique (EPS-HEP) a été signalée par des spécialistes travaillant avec l'expérience LHCb du CERN. C'est le plus petit des principaux détecteurs du Grand collisionneur de hadrons (LHC). La particule a été trouvée dans les données d'archives de 2011-18, lorsqu'elle a été passée au crible par une recherche de routine des découvertes "manquées". Malheureusement, si un phénomène n'est pas prédit à l'avance par les théoriciens (comme ce fut le cas avec le boson de Higgs et la planète Neptune), sa détection nécessite de traiter une énorme quantité d'informations littéralement « pour la chance ». Auparavant, plusieurs dizaines de particules différentes avaient été trouvées par la même méthode.
Le filtrage du bruit des enregistrements de millions de collisions de particules effectués au LHC a permis d'identifier avec une grande confiance le méson Tcc +, le même tétraquark deux fois ouvertement charmé. Sa composition diffère de toutes les autres particules similaires. Il combine deux lourds, presque égaux à la masse d'un proton, le c-quark (charmé), ainsi que le léger u-antiquark (supérieur) et d-antiquark (inférieur). Les épithètes entre parenthèses désignent les "saveurs" des particules, c'est-à-dire certains nombres quantiques (paramètres) qui caractérisent leurs propriétés fondamentales.
L'étrangeté ici est la suivante: jamais auparavant des particules avec un charme ouvert n'avaient été observées, on croyait que le c -quark devait être équilibré par le c -antiquark. Mais Tcc + a cassé non seulement ce modèle, il vit également pendant une durée incroyablement longue - quelques attosecondes, ce qui est deux à trois ordres de grandeur plus long que le temps de désintégration d'autres hadrons exotiques. La bonne nouvelle est qu'avec plus de deux cents événements candidats disponibles pour la détection du Tcc +, le personnel du CERN a décrit des critères clairs permettant de le détecter. Les particules dans lesquelles ce tétraquark se désintègre sont relativement faciles à détecter, il ne sera donc pas difficile de confirmer la découverte avec des équipes travaillant sur d'autres accélérateurs. De plus, la masse du Tcc + est suffisamment faible pour qu'il se forme dans des installations dont les énergies de fonctionnement sont bien inférieures à celles du LHC.
Percée ou révolution ?
L'existence même de Tcc + pose une autre question aux physiciens - et si sa structure n'est pas unique et est un "modèle" pour d'autres particules similaires ? Alors l'existence d'un méson est bien réelle non pas avec deux quarks charmés, mais avec un ou une paire de quarks b encore plus lourds (adorable). Certaines de ces particules brisent complètement l'image du monde, car elles doivent « vivre » au moins un ordre ou deux de plus. Cela signifie que les "cousins" plus lourds de Tcc + seront plus susceptibles d'interagir avec d'autres particules environnantes. Ainsi, ils peuvent avoir un rôle à jouer dans l'univers, pas seulement en tant que sous-produits des interactions subatomiques.
En plus de tout ce qui précède, Tcc + propose toute une gamme de fonctionnalités extrêmement difficiles à expliquer dans un langage scientifique populaire. Parmi eux, par exemple, il y a une proximité suspecte de la masse d'un tétraquark doublement charmé ouvertement et d'une paire de mésons D. En plus de cela, la structure interne de Tcc + n'a pas été suffisamment clarifiée. On ne sait pas s'il s'agit d'une « molécule » de deux mésons, c'est-à-dire une paire de structures d'un quark lourd et d'un antiquark léger, ou s'il ressemble à un atome où les quarks lourds sont situés de manière compacte au centre et sont entourés d'un nuage. de superpositions d'antiquarks.
Une chose est sûre, l'annonce du Tcc + va déclencher une nouvelle série de recherches par les physiciens et la recherche d'autres particules similaires. Sa découverte ne peut pas être qualifiée de sensation complètement fantastique du niveau de la découverte du boson de Higgs, mais la situation est toujours intrigante et avec des conséquences de grande envergure. À tout le moins, cet événement est lourd et fait allusion plutôt directement à une pensée à laquelle les scientifiques réfléchissent depuis longtemps: le modèle standard n'est pas beaucoup plus complet que le modèle de mécanique quantique de l'atome. Cela fonctionne, mais seulement à son propre niveau, et la réalité est beaucoup plus compliquée, donc les physiciens doivent encore creuser et creuser. Eh bien, pour nous - pour suivre les grandes révolutions à venir dans la science, qui présagent de telles percées.