Des physiciens du Thomas Jefferson National Accelerator Facility aux États-Unis ont découvert deux structures subatomiques inattendues, Y(2240) et X(1830), alors qu’ils cherchaient à observer l’état exotique connu sous le nom de Y(2175). Cette avancée, publiée dans Physical Review Letters, éclaire d’un jour nouveau la formation de la matière.
Une recherche de particule exotique qui bifurque vers l’inattendu
L’exploration du monde subatomique réserve encore des surprises de taille aux chercheurs. Des physiciens du laboratoire national Thomas Jefferson, relevant du département de l’Énergie des États-Unis, enquêtaient sur un candidat exotique bien précis lorsqu’ils ont mis en lumière deux configurations totalement inédites. Ces signaux inattendus relancent les interrogations sur la manière dont la force nucléaire forte assemble les briques élémentaires de l’univers.
Le mystère prend sa source dans les états dits XYZ, une vaste collection de particules éphémères recensées depuis le début des années 2000. Beaucoup de ces spécimens refusent obstinément de se plier au modèle des quarks conventionnel. L’un des exemples les plus intrigants demeure le Y(2175), un état potentiel de strangeonium doté d’une masse d’environ 2,16 milliards d’électrons-volts (2,16 GeV). Repéré pour la première fois en 2006 par l’expérience BaBar au laboratoire national SLAC, cet objet énigmatique avait ensuite été confirmé par des collisionneurs d’électrons et de positrons en Asie, notamment au Beijing Spectrometer en Chine et auprès de l’expérience Belle au Japon.
Jusqu’à présent, toutes ces observations provenaient exclusivement de collisions entre électrons et positrons. La question cruciale était de savoir si le Y(2175) pouvait se manifester par le biais d’un mécanisme physique radicalement différent. L’équipe de la collaboration GlueX a donc entrepris de tester l’hypothèse à l’aide d’un tout autre procédé.
Le dispositif de haute intensité du Continuous Electron Beam Accelerator Facility
Pour mener cette traque à l’échelle subatomique, les chercheurs ont exploité le Continuous Electron Beam Accelerator Facility, plus connu sous l’acronyme CEBAF. Cette installation unique propulse des électrons sur une fine tranche de diamant afin de générer un faisceau de photons de haute énergie dotés de spins parallèles. Ces photons viennent ensuite frapper des protons au cœur d’une cible d’hydrogène liquide.
Le choc engendre une gerbe de particules secondaires, enregistrée avec précision par un grand spectromètre. Le volume de données récolté est considérable, puisque des millions de photons percutent la cible chaque seconde, saturent l’équivalent du disque dur d’un ordinateur portable en l’espace de quelques minutes. Aucune autre installation au monde ne dispose d’un faisceau de photons d’une telle intensité à ce niveau d’énergie.
Plutôt que d’observer le Y(2175) à l’endroit escompté, le tri minutieux des données a fait émerger deux structures distinctes à des masses différentes. L’expérience a ainsi mis au jour le Y(2240), affichant une masse avoisinant les 2,24 GeV, ainsi que le X(1830) positionné autour de 1,82 GeV. Les résultats de cette collaboration internationale ont été publiés dans la revue Physical Review Letters par les équipes de la halle expérimentale D du laboratoire Jefferson.
Des niveaux de confiance inégaux et de nouvelles pistes théoriques
La solidité statistique des deux découvertes varie de manière significative. Le signal attribué au Y(2240) atteint une rigueur de cinq sigmas (5σ) significance, répondant aux critères stricts exigés en physique des particules pour valider une observation formelle. En revanche, le signal du X(1830) s’établit à trois sigmas (3σ) significance, nécessitant des investigations supplémentaires pour confirmer sa nature exacte.
Ces observations ouvrent un champ d’interprétation vaste pour les théoriciens. Les structures nouvellement identifiées pourraient abriter des configurations insolites de quarks, des liaisons multi-quarks de type tétraquarks, ou encore impliquer des excitations de champs gluoniques où les gluons — les porteurs de la force forte — jouent un rôle direct dans la cohésion interne du mésonge.
Frank Nerling, du GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research et de l’université Goethe de Francfort, a déclaré que nous entrions dans une nouvelle ère, comparable à celle d’il y a un peu plus de 70 ans, où l’on avait d’abord découvert un zoo de hadrons avant de faire face aujourd’hui à un zoo d’états dits exotiques.
Cette mutation dans la compréhension de la matière ramène la communauté scientifique à l’époque charnière de la découverte des hadrons au milieu du vingtième siècle. Les nouvelles mesures procurent aux physiciens des repères inédits pour éprouver les modèles mathématiques de l’interaction forte, tout en fixant des limites précises sur la fréquence de production du fuyard Y(2175) dans le cadre d’expériences photoniques.
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