La famille des tétraquarks s’agrandit. Les scientifiques de LHCb, l’une des quatre grandes expériences du LHC (le Grand collisionneur de hadrons) au Cern, près de Genève, rapportent la découverte non pas d’un, mais de deux tétraquarks, des particules composites faites de quatre quarks.
Les quarks sont des particules élémentaires liées par la force forte, l’une des quatre interactions fondamentales. Par deux, les quarks (plus précisément une paire quark-antiquark) forment les mésons. Et par trois, ils forment les baryons, au nombre desquels on compte, entre autres, les bien connus protons et neutrons, les constituants des noyaux atomiques. La théorie qui décrit les quarks et leur interaction n’exclut pas l’existence de structures plus riches, par exemple les tétraquarks composés de deux quarks et de deux antiquarks. Le premier d’entre eux a été découvert en 2003, au Japon, grâce à l’expérience Belle.
Mais la détection de tétraquarks n’est pas aisée, car leur durée de vie est très courte. Il n’est d’ailleurs pas possible de les observer directement dans les détecteurs. Pour les mettre au jour, il faut ruser, et déduire leur existence à partir des particules (détectables) qui sont produites lorsqu’ils se désintègrent. Pour le comprendre, prenons l’exemple des deux nouveaux tétraquarks.
D’abord, des paquets de protons sont accélérés au sein du LHC jusqu’à des vitesses proches de celle de la lumière. Lorsque deux protons entrent en collision, l’énergie libérée engendre nombre de particules, parmi lesquelles des mésons B0 et B +. Le méson B0 se désintègre spontanément en un antiméson D0, un méson Ds + et un pion Pi–. En analysant un grand nombre de telles collisions enregistrées par LHCb durant les deux premières périodes d’exploitation du LHC (de 2009 à 2013 et de 2015 à 2018), les physiciens et physiciennes se sont alors rendu compte que les caractéristiques d’un tel chemin de désintégration suggéraient l’existence d’un état intermédiaire : en l’occurrence un tétraquark, qui vient s’insérer brièvement dans la chaîne et qui se désintègre pour former le méson Ds + et le pion Pi–. L’état final de la désintégration a les mêmes quarks que ceux qui composent le tétraquark intermédiaire. Or Ds + est composé d’un quark c et d’un antiquark s et Pi– est constitué de la paire antiquark u et quark d, donc le tétraquark regroupe ces quatre particules élémentaires, (cbar{s}bar{u}d). En matière de charges, ce tétraquark est neutre.
En revanche, le second tétraquark mis au jour, issu de la désintégration d’un méson B +, est doublement chargé (positivement), car il est constitué des quarks (cbar{s}ubar{d} )qui correspondent aux deux mésons Ds + et à un pion Pi+. C’est la première fois qu’un tétraquark doublement chargé est détecté.
« Ces deux tétraquarks sont liés par une symétrie dite “d’isospin”, commente Yasmine Amhis, chercheuse en physique des particules sur l’expérience LHCb à IJCLab, à Orsay, et coordinatrice scientifique de la collaboration. Cette symétrie leur impose d’avoir à peu près la même masse et la même durée de vie. » C’est cette même symétrie d’isospin qui relie le proton et le neutron que l’on considère comme étant les deux faces d’une même particule, le nucléon. Ils ne se distinguent que par leur charge électrique (charge qui explique aussi l’infime différence de masse entre les deux).
La structure des tétraquarks et comment leurs constituants sont liés entre eux restent encore à élucider. Les quatre quarks pourraient interagir ensemble par l’interaction forte, ou seulement par paires de quarks, et les deux paires seraient liées entre elles par une interaction plus faible, comme celle qui forme les molécules. On parle alors de « molécules de mésons ». Pour trancher, et savoir quelle force maintient les tétraquarks, il faut analyser leur probabilité de production. « Car les molécules de mésons sont plus fragiles que des quarks fortement liés et sont donc plus difficiles à produire, rapporte Patrick Robbe, également physicien à l’IJCLab. Pour le moment, nous n’avons pas assez de données, mais nous nous attendons à pouvoir faire des analyses plus précises d’ici à quatre ans, à la fin de la troisième période d’exploitation du LHC. »
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