Dans une prépublication mise en ligne le mois dernier sur arXiv et lors d'une présentation faite la semaine dernière à la Conférence internationale sur la physique des hautes énergies (ICHEP), les membres de la collaboration BESIII, qui mènent des expériences auprès du collisionneur électron-positon de Pékin, ont annoncé qu'une particule baptisée X(2370) - qu'ils ont produite en faisant entrer en collision des électrons et des positrons à haute énergie - possède les propriétés attendues d'une « boule de glu » (glueball).

C'est une confirmation supplémentaire de l'existence de ces particules exotiques dont plusieurs autres équipes de chercheurs pensaient déjà avoir fait la détection, notamment il y a quelques années dans les données combinées des détecteurs équipant le Tevatron (avant son arrêt, puis démantèlement aux États-Unis) et le LHC, mais aussi dès 1979.

La force la plus puissante de l'Univers est la force nucléaire forte. Elle régit le comportement des quarks et des gluons à l'intérieur des protons et des neutrons. Le nom de la théorie, qui régit cette force, est la chromodynamique quantique, ou QCD. Dans cette vidéo, le Dr Don Lincoln du Fermilab explique les subtilités de cette composante dominante du modèle standard. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

Les gluons, des sortes de photons chargés

Pour comprendre de quoi il s'agit quand on parle de glueballs, des particules prédites il y a presque 50 ans, il faut savoir qu'elles sont des conséquences théoriques naturelles que l'on obtient dès lors que l'existence des quarks a été admise et que l'on a disposé de la théorie des forces nucléaires fortes entre ces quarks, la théorie de la chromodynamique quantique, la QCD.

La théorie des quarks a été découverte en 1964 par Murray Gell-Mann, collègue de Richard Feynman à Caltech, et indépendamment par George Zweig, alors en poste au Cern, et tout jeune thésard de Gell-Mann. Elle explique l'existence de particules que l'on a appelé des hadrons, c'est-à-dire des neutrons et des protons en premier lieu, mais aussi des mésons et autres baryons que l'on sait maintenant être formés de quarks - des particules toujours considérées comme élémentaires aujourd'hui. En plus de porter des charges électriques presque conventionnelles (respectivement 2/3 et 1/3 de la charge de l'électron qui est insensible aux forces nucléaires fortes parce que non « colorée » ), les quarks pouvaient se trouver dans trois états possibles de couleur.

La couleur est une quantité analogue à la charge électrique, mais qui est prédite par les équations de la QCD impliquant l'existence de cousins des photons, les gluons, pour les forces nucléaires fortes.

Dans cette vidéo, le Dr Don Lincoln du Fermilab explique l'origine de la notion de couleur en théorie des quarks, en complément à la vidéo précédente où il parle de la théorie de la chromodynamique quantique décrivant la force nucléaire forte entre ces quarks dans les hadrons. Traduction en cliquant sur le rectangle blanc en bas à droite et sur l'écrou, ensuite sur « Sous-titres » et sur « Traduire automatiquement ». © Fermilab

Des particules de pure énergie

Toutefois, les gluons ont une particularité essentielle qui les distingue de leurs cousins les quanta de lumière, ils portent aussi une couleur, de sorte que les gluons s'attirent les uns les autres en échangeant des gluons. Il résulte de tout cela, pour faire simple, que les gluons peuvent former des états liés, appelés en anglais des « glueballs » quasi littéralement des « boules de glu » constituées de deux gluons.

Contrairement aux protons et aux neutrons, ces particules ne contiennent pas de quarks, mais comme les mésons et d'autres hadrons elles sont instables et se désintègrent selon des résultats bien spécifiques. Tout comme pour les protons et les neutrons, c'est l'énergie des gluons qui donne une masse aux glueballs et pas le champ de Higgs.

Pour interpréter les événements baptisés X(2370), détectés par le Beijing Spectrometer III (BES III) et produits par le collisionneur électrons-positrons de Pékin II (BEPC II), comme des boules de glu, les physiciens ont dû scruter ses modes de désintégration dans pas loin de 10 milliards de collisions de particules depuis 2011.

Pour vérifier que X(2370) ne contenait pas de quarks, les physiciens ont en particulier recherché certains modes de désintégration qui, selon la théorie, devraient être interdits à une boule de glu pure.

L'expérience n'a détecté aucun de ces signaux interdits, conformément aux prédictions théoriques.