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Après 48 ans de recherche, des physiciens découvrent une particule ultra-rare «  triple boule de glue  »

Une particule inédite s’est révélée dans les entrailles chaudes de deux collisionneurs de particules, confirmant une théorie vieille d’un demi-siècle.

Les scientifiques ont prédit l’existence de la particule, connue sous le nom d’odderon, en 1973, la décrivant comme une combinaison rare et de courte durée de trois particules plus petites connues sous le nom de gluons. Depuis lors, les chercheurs ont soupçonné que l’odderon pourrait apparaître lorsque des protons se sont heurtés à des vitesses extrêmes, mais les conditions précises qui le feraient émerger sont restées un mystère. Maintenant, après avoir comparé les données du Grand collisionneur de hadrons (LHC), le briseur d’atomes en forme d’anneau de 27 kilomètres de long près de Genève, célèbre pour avoir découvert le boson de Higgs, et le Tevatron, un maintenant disparu de 3,9 milles -long (6,3 km) collisionneur américain qui a claqué des protons et leurs jumeaux antimatière (antiprotons) ensemble dans l’Illinois jusqu’en 2011, les chercheurs rapportent des preuves concluantes de l’existence de l’odderon.

Trouver l’odderon

Voici comment ils l’ont trouvé: après ces collisions de particules, les scientifiques ont regardé ce qui s’était passé. Ils ont émis l’hypothèse que les odderons apparaissent à des taux légèrement différents dans les collisions proton-proton et les collisions proton-antiproton. Cette différence se révélerait par un léger décalage entre les fréquences des protons rebondissant sur d’autres protons et les fréquences des protons rebondissant sur les antiprotons.

Les collisions du LHC et de Tevatron se sont produites à des niveaux d’énergie différents. Mais les chercheurs à l’origine de ce nouveau document ont développé une approche mathématique pour comparer leurs données. Et il a produit ce graphique, qu’ils ont appelé le « money plot »:

Un graphique montre deux lignes similaires qui ne suivent pas exactement le même chemin.  La différence entre ces deux lignes est due à l'existence de l'odderon.

Un graphique montre deux lignes similaires qui ne suivent pas exactement le même chemin. La différence entre ces deux lignes est due à l’existence de l’odderon. (Crédit d’image: avec l’aimable autorisation de l’Université du Kansas)

La ligne bleue, représentant les collisions proton-antiproton, ne s’aligne pas parfaitement avec la ligne rouge, qui représente les collisions proton-proton. Cette différence est le signe révélateur de l’odderon – démontré avec une signification statistique de 5 sigma, ce qui signifie que la probabilité d’un effet comme celui-ci émergeant au hasard sans odderons impliqués serait de 1 sur 3,5 millions.

Pourquoi les collisions de protons créent des odderons

Alors, que sont les odderons? Fondamentalement, il s’agit d’une combinaison rare de trois particules «collantes» appelées gluons.

Les protons ne sont pas des particules fondamentales et indivisibles. Au contraire, ils sont constitués de trois quarks et de nombreux gluons. Ces quarks sont les gros frappeurs du monde subatomique, relativement volumineux et responsables de constituer la masse des protons et des neutrons (et, à son tour, la majeure partie de la masse des atomes) et la charge électromagnétique. Mais les gluons jouent un rôle tout aussi important: ils transportent la force forte, l’une des quatre forces fondamentales de l’univers, responsable du «collage» des quarks ensemble en protons et neutrons, puis liant ces protons et neutrons ensemble à l’intérieur des noyaux atomiques.

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Lorsque des protons entrent en collision à des énergies très élevées à l’intérieur de collisionneurs de particules comme le LHC, ils se brisent en morceaux environ 75% du temps. Les 25% restants du temps, ils rebondissent les uns sur les autres comme des boules de billard sur une table de billard. Dans ce cas – un processus appelé diffusion élastique – les protons survivent à la rencontre. Et les physiciens pensent que c’est possible parce que les protons échangent deux ou trois gluons. Au bref point de contact, cet ensemble de gluons se déplace de l’intérieur d’un proton vers l’intérieur de l’autre.

« En physique des hautes énergies, nous échangeons toujours des particules lorsque deux protons interagissent, ou un proton et un antiproton » interagissent, a déclaré l’auteur principal de l’étude Christophe Royon, physicien à l’Université du Kansas, à 45Secondes.fr. « Dans la plupart des cas, ce sera un gluon. »

Il est important que les collisions protons-protons et les collisions proton-anti-proton échangent des particules, car c’est dans la différence subtile entre ces deux types d’échanges que l’odderon a été révélé.

Parfois, un quasi état appelé boule de glue – une paire ou un trio de gluons – émerge lors d’une collision. Les scientifiques avaient déjà confirmé l’existence de la double boule de glue, mais c’est la première fois qu’ils observent avec confiance la triple boule de glue appelée odderon, celle qui, en 1973, devait exister.

Ces boules de colle gardent les protons intacts en raison d’une propriété appelée couleur. Les couleurs (et les anti-couleurs) sont similaires aux charges électromagnétiques positives et négatives – elles contrôlent la façon dont les quarks et les gluons s’attirent ou se repoussent dans un système beaucoup plus complexe que l’électromagnétisme connu sous le nom de chromodynamique quantique. Les quarks et les gluons peuvent avoir l’une des trois charges classées comme rouge, verte ou bleue. Et une combinaison de rouge, vert et bleu est dite « blanche » et, par conséquent, équilibrée.

Les antiquaires, quant à eux, ont des anti-couleurs – anti-rouge, anti-vert et anti-bleu – qui s’annulent avec leurs homologues de couleur pour former une charge blanche stable et équilibrée. Et les gluons ont à la fois des couleurs et des anti-couleurs.

Mais les gluons individuels sont toujours un mélange instable de couleur et d’anti-couleur: bleu et anti-vert, ou rouge et anti-bleu, etc. « Chaque gluon porte une couleur et une anti-couleur. Et [these gluons] n’aime pas être seul », a déclaré Royon.

Lorsqu’un seul gluon pénètre dans un nouveau proton, il s’accroche aux autres particules – les quarks et les gluons qui composent le proton. Le gluon unique cherche à s’associer avec des particules qui équilibrent sa couleur et son anti-couleur. Mais les couleurs à l’intérieur du proton sont déjà en équilibre et l’entrée d’un gluon étranger et instable perturbe l’équilibre interne du proton, déclenchant une cascade d’événements qui déchire la particule. C’est ce qui se passe dans 75% des collisions, lorsque les protons se brisent.

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Mais dans le quart des cas où les protons rebondissent les uns sur les autres au lieu de se briser, c’est un signe que l’échange de gluons impliquait une double ou triple boule de glue (odderon) et qu’il n’a donc pas perturbé l’équilibre interne des protons. Les doubles boules de colle ont leur propre équilibre interne. Leur couleur et leurs charges anti-couleur sont assorties et glissent facilement d’un proton à l’autre sans les déchirer. En 1973, les chercheurs ont montré que trois gluons devraient, en théorie, être capables de former une triple boule de glu dans laquelle les couleurs rouge, verte et bleue s’équilibraient. Ils ont appelé cette particule l’odderon.

Les échanges de gluons et de multi-gluons ont lieu le plus bref des moments aux énergies les plus extrêmes. Jusqu’à présent, personne n’avait jamais vu ou détecté directement un odderon (ou la double boule de glue, d’ailleurs, bien que son existence ait été indirectement confirmée).

La détection de l’Odderon ne changera pas le visage de la physique, comme l’a écrit l’astrophysicien de SUNY Stony Brook Paul Sutter dans un article pour 45Secondes.fr en 2019, lorsque les chercheurs ont repéré pour la première fois des preuves possibles de la particule. Sutter et de nombreux autres chercheurs affirment que ce n’est pas du tout une vraie particule, mais une quasi-particule, car ce n’est rien de plus qu’un arrangement temporaire de particules plus petites. (On pourrait dire la même chose des protons et des neutrons, cependant.) Royon a déclaré que la découverte est importante car elle confirme que les idées de base sur les chercheurs en physique des particules utilisées pour prédire l’existence de l’odderon en 1973 étaient correctes.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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