Illustration d'une collision proton-proton au Grand collisionneur de hadrons. Les quarks produits lors de ces collisions peuvent se regrouper par trois pour produire des baryons (vert) ou par deux pour former des mésons (rouge). Crédit : May Napora
Les mesures de la collaboration LHCb élargissent la compréhension scientifique de la manière dont les quarks individuels s'assemblent pour former de la matière observable.
Des recherches menées au Grand collisionneur de hadrons ont révélé que les quarks, principaux composants de la matière visible, forment des particules composites différemment selon les conditions environnementales. Cette découverte remet en cause la croyance selon laquelle la production de baryons à partir des quarks est uniforme, et souligne la nécessité de revoir les modèles théoriques pour expliquer la formation de la matière sous différentes densités.
Les quarks : les éléments constitutifs de la matière
Les quarks sont les particules de base qui constituent la matière visible dans l'univers. La propriété la plus intrigante et la plus déroutante des quarks est qu'ils ne sont jamais isolés. Au contraire, ils ne peuvent être observés que lorsqu'ils sont confinés à l'intérieur de particules composites telles que les protons.
Les physiciens nucléaires utilisent des accélérateurs de particules géants pour produire différents types de quarks et étudier leur évolution pour former des particules observables. Des groupes de trois quarks forment des particules composites appelées baryons (comme les protons et les neutrons), tandis que des paires de quarks forment des mésons. De nouvelles mesures de l'expérience LHCb (Large Hadron Collider beauty) montrent des variations surprenantes dans la vitesse de production des baryons, défiant les attentes précédentes.
Comprendre les baryons et les mésons
Les noyaux atomiques qui forment toute la matière visible sont composés de baryons (plus précisément de protons et de neutrons), qui, selon les scientifiques, se sont formés dans l'univers primitif. Les baryons contenus dans les noyaux sont des particules stables qui ne subissent pas de désintégration radioactive. Cependant, tous les mésons sont instables et se désintègrent rapidement en particules plus légères qui ne peuvent pas former d'atomes.
L’existence de baryons stables par opposition à celle de mésons instables est donc ce qui rend possible l’existence des atomes et de l’univers tel que nous le connaissons. L’expérience LHCb a montré que le taux de quarks se transformant en baryons par rapport aux mésons dépend grandement de la densité de leur environnement. Cette découverte contribue à expliquer la création des premières particules stables dans l’univers primitif.
Le rôle de l'interaction forte
Le fait que les quarks doivent être confinés est la caractéristique déterminante de l'interaction forte, telle que décrite par la théorie de la chromodynamique quantique (QCD). Les calculs utilisant la QCD peuvent prédire le nombre total de quarks lourds produits lors de collisions de particules, mais ne peuvent pas décrire la fraction qui émerge sous forme de baryons plutôt que de mésons. En règle générale, les chercheurs ajustent les modèles pour correspondre aux données d'expériences précédentes impliquant des collisions d'électrons avec des positons, en supposant que le taux de production de baryons est universel.
Conséquences des collisions à haute densité
Une différence importante dans cette nouvelle recherche par rapport aux expériences précédentes est que les collisions de protons et/ou de noyaux au Grand collisionneur de hadrons produisent un environnement avec une densité de quarks beaucoup plus élevée.
Dans cette étude, les physiciens nucléaires de l'expérience LHCb ont découvert que le nombre de baryons contenant des quarks b dépend de l'environnement suivant les collisions et augmente avec la densité des particules. Cela montre que l'hypothèse des scientifiques selon laquelle la production de baryons est universelle est incorrecte et que les interactions entre les quarks produits au cours de leur évolution vers la matière visible influencent le nombre de baryons qui émergent.
Ces nouveaux résultats prouvent que des mécanismes théoriques supplémentaires pour produire des baryons sont nécessaires dans les systèmes de collision denses, ce qui a peut-être été particulièrement important lorsque les premiers protons se sont formés dans l'univers primitif.
Cette recherche a été financée par le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie, programme de physique nucléaire.
