De rares « hypernoyaux » ont été détectés au Grand collisionneur de hadrons : ScienceAlert

Un type rare de particule a émergé des collisions de protons dans le Grand collisionneur de hadrons.

Entre 2016 et 2018, les physiciens ont enregistré plus de 100 hypernoyaux rares et instables – des noyaux atomiques qui contiennent une saveur inhabituelle de quark dans l’une de leurs particules nucléaires.

C’est une découverte qui pourrait nous aider à comprendre la source du mystérieux antihélium provisoirement détecté dans le grand au-delà du cosmos.

Le Grand collisionneur de hadrons Voilà à quoi cela ressemble : une machine géante destinée à écraser des particules ensemble lors de collisions à grande vitesse, afin que les physiciens puissent examiner les restes et rechercher des éléments tels que des particules instables à courte durée de vie que nous ne pouvons détecter autrement.

Les noyaux et antinoyaux – les cœurs des atomes et leurs antiparticules – sont assez courants et sont constitués de baryons appelés protons et neutrons.

Les baryons sont à leur tour constitués d’un désordre mousseux de quarks et les antiquarks, qui sont dominés en moyenne par seulement trois arômes ; deux quarks up et un quark down pour les protons, et un quark up et deux quarks down pour les neutrons.

Les hypernoyaux, qui contiennent les hyperons en plus des protons et des neutrons. Dans ces baryons, d’étranges quarks font leur apparition.

L’hypertriton fait partie de ces hypernoyaux ; il se compose de protons, de neutrons et d’hypérons Lambda, qui contiennent un quark étrange.

Les hypernoyaux tels que l’hypertriton présentent un grand intérêt, non seulement en eux-mêmes, mais également dans un contexte astrophysique.

Les scientifiques pensent que les hypérons pourraient se former à l’intérieur des étoiles à neutronsle noyaux effondrés d’étoiles autrefois massives devenues supernova. Ces noyaux sont si denses que la physique qu’ils contiennent est difficile à sonder et à comprendre.

Mais ils se désintègrent aussi très rapidement, donc si nous voulons trouver des hypertritons et leurs antiparticules, un collisionneur de particules est probablement le seul endroit plausible où chercher.

Pour les trouver, la collaboration LHCb (Large Hadron Collider beauty) a utilisé une nouvelle technique sur les données collectées lors de l’une des précédentes exploitations du collisionneur. Ils n’ont pas détecté directement l’hypertriton ou l’antihypertriton ; ils ont plutôt trouvé les produits de sa décomposition.

À mesure que les particules instables se désagrègent, elles se transforment en une cascade de particules de masse inférieure.

Voici ce qui se passe. Les protons entrent en collision dans le Grand collisionneur de hadrons, entraînant une libération d’énergie qui a une chance de produire une soupe de particules.

Dans ce cas rare, un hypertriton ou un antihypertriton apparaît, ce qui vole sur environ 40 centimètres (16 pouces) en environ 240 picosecondes avant de se décomposer en un antiproton et un couple quark-antiquark chargé positivement appelé a pion.

Le pion s’envole hors du noyau, mais l’antiproton reste piégé à l’intérieur, transformant l’antihypertriton en antihélium.

Le processus pour l’hypertriton se déroule de la même manière, sauf que l’hypéron se désintègre en un proton et un pion chargé négativement, et que le noyau est transformé en un vieux noyau d’hélium.

Ces pions et noyaux d’hélium/antihélium sont ce que les chercheurs ont détecté dans les données du Grand collisionneur de hadrons, en utilisant une nouvelle technique d’identification de l’hélium, pour laquelle le collisionneur n’a pas été conçu à l’origine. Et en mesurant la masse des noyaux, l’équipe a pu retracer leur formation à la désintégration des hypertritons et des antihypertritons : environ 61 des premiers et 46 des seconds.

Les implications astrophysiques sont passionnantes. En évaluant la manière dont l’antihélium est créé et annihilé dans l’espace, les physiciens peuvent mieux déterminer la quantité qui pourrait éventuellement atteindre la Terre. Cela pourrait valider ou réfuter cette éventuelle détection d’antihélium effectuée en 2018.

Cette découverte offre un nouveau moyen pour sonder les propriétés des hypertritons. Mais la recherche a également des implications plus larges. Selon les chercheurs, la technique d’identification de l’hélium offre également aux physiciens un nouvel outil pour étudier comment les quarks dans les baryons sont tenus ensemble.

Les résultats ont été présentés au Conférence de la Société européenne de physique sur la physique des hautes énergieset sera publié dans un prochain article.