Combien de nouvelles particules ont été découvertes au Grand collisionneur de hadrons (LHC) ? La plus connue est, bien entendu, le boson de Higgs. Ce que l'on sait moins c'est que, au cours des dix dernières années, les expériences du LHC ont détecté plus de 50 nouvelles particules de la catégorie des hadrons. Par coïncidence, le chiffre 50 apparaît deux fois dans le contexte des hadrons, 2021 marquant le cinquantième anniversaire des collisionneurs de hadrons : le 27 janvier 1971, deux faisceaux de protons entraient en collision pour la première fois dans les anneaux de stockage à intersections (ISR) du CERN, le tout premier collisionneur de hadrons de l'histoire à produire des collisions entre deux faisceaux de hadrons circulant en sens inverse.

Quelle est la nature de ces 59 nouveaux hadrons ? Commençons par le commencement : les hadrons ne sont pas des particules élémentaires. Les physiciens le savent depuis 1964, année où Murray Gell-Mann et George Zweig ont proposé, chacun de leur côté, ce que nous appelons aujourd'hui le modèle des quarks. Selon ce modèle, les hadrons sont des particules composites constituées de particules élémentaires d’un type inconnu jusqu’alors, appelées quarks. Cependant, de même que l’on continue de découvrir de nouveaux isotopes plus de 150 ans après que Dmitri Mendeleïev a construit son tableau périodique, l'étude des états composites possibles formés par les quarks est toujours d'actualité en physique des particules.

La raison de cette multiplicité des hadrons réside dans la chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui décrit l’interaction forte qui lie les quarks à l'intérieur des hadrons. Cette interaction présente plusieurs caractéristiques intéressantes, notamment le fait que la force de l'interaction ne diminue pas avec la distance, ce qui implique une propriété appelée confinement de couleur, selon laquelle des quarks libres ne peuvent exister à l'extérieur des hadrons. Ces caractéristiques rendent cette théorie très difficile sur le plan mathématique ; en fait, le confinement de couleur lui-même n'a pas encore pu, à ce jour, être prouvé de façon analytique. De même, nous ne pouvons toujours pas prédire quelles combinaisons de quarks exactement ont la capacité de former des hadrons.

Que savons-nous alors sur les hadrons ? Dans les années 1960, il existait déjà plus de 100 variétés connues de hadrons, découvertes lors d'expériences auprès d’accélérateurs ou d’expériences sur les rayons cosmiques. Le modèle des quarks permettait de décrire tous les spécimens de ce véritable « zoo » de particules comme des états composites de seulement trois quarks : les quarks up, down et étranges. Il était maintenant possible de classer tous les hadrons connus soit en baryons (composés de trois quarks), soit en mésons (composés d'une paire quark-antiquark). Mais la théorie prédisait également d'autres combinaisons possibles de quarks. L'article original de Gell-Mann sur les quarks, publié en 1964, évoquait déjà la possibilité de particules contenant plus de trois quarks. Nous savons aujourd'hui que de telles particules existent, mais il a fallu plusieurs décennies pour confirmer par des expériences l'existence des premiers hadrons composés de quatre ou cinq quarks : les tétraquarks et les pentaquarks.

Vous trouverez dans le tableau ci-dessous la liste complète des 59 nouveaux hadrons découverts auprès du LHC. Certaines de ces particules sont des pentaquarks, d'autres des tétraquarks, et d'autres encore sont des baryons et des mésons ayant atteint un nouvel état d'énergie plus élevé (état excité). La découverte de ces nouvelles particules, et la mesure de leurs propriétés, continue de fournir des informations importantes permettant de tester les limites du modèle des quarks. Les scientifiques peuvent ainsi approfondir leurs connaissances de l'interaction forte, vérifier les prédictions théoriques et ajuster les modèles. Cela est particulièrement important pour la recherche menée auprès du Grand collisionneur de hadrons, étant donné que les phénomènes qui se produisent dans les collisions de hadrons résultent en grande partie de l'interaction forte. En comprenant mieux l'interaction forte, nous pourrons modéliser ces collisions avec davantage de précision, augmentant ainsi nos chances d'observer de petits écarts par rapport aux attentes, susceptibles d'indiquer d'éventuels phénomènes de nouvelle physique.

La découverte de nouveaux hadrons se poursuit dans les expériences LHC, principalement à LHCb, qui est particulièrement adapté à l'étude des particules contenant des quarks lourds. Le premier hadron découvert au LHC, χb(3P), a été découvert par ATLAS ; plus récemment, un baryon beauté étrange excité a été observé par CMS, et quatre tétraquarks ont été détectés par LHCb.

_____

Lisez aussi l’article du CERN Courier (en anglais).