Pendant des décennies, les physiciens ont méticuleusement organisé leur collection sans cesse croissante de particules subatomiques, pour voir de nouveaux arrivants refuser de se ranger sagement dans les cases prévues. Des chercheurs du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département de l'Énergie des États-Unis ont maintenant trouvé des preuves de deux structures inattendues qui pourraient aider à démêler une partie du chaos.

Les signaux pourraient éclairer les états XYZ - un groupe déroutant d'objets qui ne correspondent pas à l'image conventionnelle des particules faites de quarks, les éléments constitutifs fondamentaux de la matière. Pour la première fois, les chercheurs de Jefferson Lab ont détecté deux tels signaux lorsqu'un faisceau de photons de haute énergie a percuté une cible de protons.

Les résultats proviennent de la collaboration Gluonic Excitations (GlueX) dans le Hall expérimental D de Jefferson Lab et ont été récemment publiés dans Physical Review Letters. Ces résultats pourraient aider les scientifiques à comprendre comment l'une des forces fondamentales de la nature contribue à la formation de la matière.

« Nous sommes partis à la recherche d'un candidat XYZ confirmé avec un faisceau de photons, mais nous avons plutôt trouvé deux autres structures », a déclaré Malte Albrecht, scientifique au Jefferson Lab. « C'est une nouvelle information. » Traduction : ils visaient une particule exotique et en ont accidentellement découvert deux de plus, ce qui est soit une énorme victoire, soit une farce cosmique.

Depuis les années 1950, les expériences de collision à haute énergie ont mis au jour un véritable zoo de particules subatomiques appelées hadrons, qui sont des particules composites faites de deux quarks ou plus maintenus ensemble par la force nucléaire forte. Des exemples familiers incluent les protons et les neutrons, chacun contenant trois quarks (bien que ceux-ci étaient connus bien avant). Parmi les nouveaux venus figuraient des particules de courte durée appelées mésons, généralement un quark apparié à son homologue d'antimatière, l'antiquark.

En 1964, les physiciens ont introduit le modèle des quarks pour imposer de l'ordre à ces états liés. La première version avait trois « saveurs » de quarks : up, down et étrange. Les quarks up et down, par exemple, forment les protons et les neutrons ; up, down et étrange sont les trois types de quarks les plus légers. Puis, en 1974, le quark charmé plus lourd est apparu et a mis des bâtons dans les roues - mais a aussi aidé à construire le cadre qui est devenu le modèle standard, la théorie générale décrivant les particules élémentaires et les forces fondamentales, tout en élargissant le spectre connu des structures hadroniques.

À mesure que les accélérateurs devenaient plus puissants et les détecteurs plus sensibles, les chercheurs ont commencé à observer des processus plus subtils. Après 2000, les expériences ont commencé à révéler des hadrons avec des propriétés quantiques qui ne correspondaient pas au modèle de quarks original. Les découvertes se sont accumulées si rapidement que les physiciens ont étiqueté de nombreux états mal compris comme états XYZ.

« Nous sommes dans une nouvelle ère ici, semblable à il y a plus de 70 ans », a déclaré Frank Nerling, collaborateur de Jefferson Lab du GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research en Allemagne et de l'Université Goethe de Francfort. « D'abord, un zoo de hadrons a été découvert. Maintenant, nous sommes confrontés à un zoo de soi-disant états exotiques. »

Les hadrons contenant un quark charmé et son antiparticule charmée occupent une région de masse appelée charmonium ; les particules avec des quarks étranges et anti-étranges peuplent l'étrangeonium. De nombreux états XYZ ont été repérés dans ces secteurs. En 2006, les chercheurs de l'expérience BaBar au SLAC National Accelerator Laboratory du DOE ont signalé un possible état étrangeonium avec une masse d'environ 2,16 milliards d'électrons-volts (2,16 GeV), le désignant Y(2175). BaBar a créé Y(2175) en collisionnant des électrons et des positrons (annihilation e+e-). Y(2175) a montré un comportement quantique qui pourrait être difficile à expliquer comme une simple paire quark-antiquark - il pourrait s'agir d'un état hybride impliquant deux quarks étranges et des gluons excités (les porteurs de la force forte), d'un tétraquark à quatre quarks, ou d'une combinaison de type moléculaire d'autres particules composites.

Des expériences ultérieures de collisionneur électron-positon (BES en Chine, Belle au Japon) ont confirmé Y(2175), mais jusqu'à présent, il n'avait pas été observé par un autre processus que l'annihilation e+e-. « Le défi est que vous avez de nombreux