Le LHC va bientôt s'arrêter cette année pour une longue phase de mise à niveau, qui durera quatre ans. Elle permettra de mettre en place une version upgradée, avec des faisceaux de protons plus lumineux, afin d'accélérer la prise de données et, peut-être, de découvrir des particules aussi improbables que fugaces, relevant d'une nouvelle physique.

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Mais avant la mise en service du LHC à haute luminosité, encore appelé le HiLumi LHC, les chercheurs vont encore examiner les données collectées par les quatre grands détecteurs équipant le LHC - et peut-être y faire de nouvelles découvertes.

Depuis la mise en service du LHC, et bien qu'elles aient été bien moins médiatisées parce que bien moins importantes que celle du mythique boson BEH, ce ne sont pas moins de 80 nouvelles particules, des hadrons, qui ont été découvertes. La dernière a été annoncée tout récemment et c'est une fois de plus les membres de la collaboration LHCb qui sont derrière cette prouesse, comme l'explique un communiqué du Cern.

Une famille des hadrons cousins du proton et contenant chacun trois quarks, dont au moins un en commun avec le proton. © Collaboration LHC b

Un hypéron, mais aussi un baryon Xi

Le nouveau hadron est en fait un hypéron faisant partie des baryons Xi (noté Ξ suivant la lettre grecque Xi), une famille de baryons qui peuvent avoir une charge égale à +2, +1, 0 ou -1 e, où e est la charge élémentaire, et qui comme tous les baryons contiennent trois quarks, mais en particulier un quark up ou un down avec deux quarks lourds (qui peuvent être strange, charm ou bottom).

Ils sont instables et se désintègrent rapidement en cascade en particules plus légères et c'est ainsi que l'on a fait indirectement la découverte du Ξ_cc⁺ composé de deux quarks charmés et d'un quark down, structure semblable à celle du proton, à part que les deux particules lourdes sont des quarks charmés et non des quarks up, ce qui lui confère une masse quatre fois plus élevée.

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Rappelons que les quarks sont des particules considérées encore aujourd'hui comme élémentaires, découvertes théoriquement il y a un peu plus de 60 ans, mais qui sont peut-être elles-mêmes composites, comme le propose depuis longtemps la théorie des rishons.

Les quarks existent sous six formes possibles (on parle à leur sujet de « saveurs ») et peuvent porter des cousines des charges électriques que l'on appelle des couleurs et qui existent sous trois formes. Chaque saveur de quark existe aussi sous forme d'antiparticules que l'on peut retrouver sous forme d'états liés très variés.

Découvrez une présentation de la collaboration LHCb au Cern dans cette vidéo. © Cern, YouTube

Pour Vincenzo Vagnoni, porte-parole de LHCb dans le communiqué du Cern : « C'est la première particule identifiée depuis les travaux d'amélioration du détecteur LHCb terminés en 2023, et seulement la seconde fois qu'un baryon composé de deux quarks lourds a été observé, le premier l'ayant été par le détecteur LHCb il y a près de 10 ans. Ce résultat aidera les théoriciens à tester les modèles de la chromodynamique quantique, théorie qui décrit l'interaction forte liant les quarks, grâce à laquelle ils vont former non seulement les baryons et les mésons, mais aussi des hadrons exotiques tels que les tétraquarks et les pentaquarks. »

Donnons pour terminer quelques informations supplémentaires en rapport avec l'histoire des hadrons et des hypérons.

Hadrons, leptons, mésons, hypérons... and all that

C'est au tout début des années 1930 que Werner Heisenberg a proposé le concept moderne du noyau des atomes composé de protons et de neutrons. On ne connaissait alors que ces particules, ainsi que les électrons et leurs antiparticules. Au cours de cette décennie, Robert Oppenheimer et ses élèves poseront les bases de la théorie des étoiles à neutrons et des trous noirs.

On commençait toutefois à suspecter l'existence des neutrinos et de cousins massifs des photons « collant » entre eux les protons et les neutrons dans les noyaux, à savoir les pions de Yukawa. Ce n'est que des années 1940 aux années 1960 qu'un raz-de-marée de nouvelles particules subatomiques va se produire et conduire à l'image moderne de la matière avec des leptons et des hadrons.

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Rappelons d'ailleurs que c'est le physicien russe Lev Okun qui a, en 1962, proposé d'appeler hadrons l'ensemble des particules sensibles aux forces nucléaires fortes entre les protons et les neutrons. Issu du mot grec hadros, qui signifie plus ou moins large et lourd, il s'opposait à la dénomination de lepton, du grec λεπτός / leptós (« léger »), petit et léger, utilisé pour décrire les électrons et les neutrinos. Ce choix était logique puisqu'un proton, comme un neutron, est presque 2 000 fois plus lourd qu'un électron et considérablement plus que les neutrinos.

Les particules hadroniques de masses intermédiaires entre celles des électrons et des protons ont été appelées des mésons, encore un mot qui vient du grec, ici μέσον qui signifie « le milieu, la juste mesure ».

Les particules hadroniques aussi lourdes, voire plus lourdes que les protons et les neutrons sont nommées des baryons, toujours en raison du grec et en l'occurrence de barys, qui signifie « lourd ».

Le proton est partout. C’est l’un des constituants du noyau des atomes. Il est même le constituant le plus abondant de l’Univers et de la matière visible. Si l'on a une bonne idée de sa structure globale et de sa masse, il reste encore beaucoup de mystères autour de cette particule. Parmi ces interrogations : la masse du proton devrait être à peu près égale à celle des trois quarks le constituant. Et ce n’est pas du tout le cas. D’où vient cette différence ? Où est la masse manquante ? Les scientifiques du CEA-Irfu et de l’IJCLab vous expliquent cette fascinante quête à travers différentes investigations expérimentales et théoriques. Prêt à plonger dans l’univers intrigant des protons ? © CEA