Le plus puissant collisionneur révèle la liaison secrète entre quarks top, bouleversant la physique des particules fondamentale

La conférence de physique des hautes énergies de la Société européenne de physique, tenue à Marseille, a récemment été le théâtre de révélations fascinantes. Les scientifiques du CERN ont observé un phénomène inattendu dans le plus grand accélérateur de particules au monde. Ce phénomène suggère que les particules les plus lourdes et les plus éphémères de l’univers ne sont peut-être pas aussi solitaires qu’on le pensait. Cette découverte pourrait transformer notre compréhension des quarks top, aussi connus sous le nom de quarks vérité, et leur interaction avec leurs antiparticules.

Une union quantique défiant les attentes

Produits régulièrement lors des collisions de protons à haute énergie au LHC, les quarks top sont connus pour leur instabilité. Ils se désintègrent en moins d’une trillionième de trillionième de seconde, ce qui leur confère une réputation de particules solitaires. Cette brièveté a longtemps semblé interdire toute interaction semblable à celle des quarks plus légers, qui forment des particules comme les protons ou les mésons. Cependant, une analyse récente des données de production de quarks top-antiquark de 2016 à 2018 a révélé un surplus inattendu de ces paires.

Ce surplus, considéré comme un indice de la présence de particules non découvertes, est survenu précisément à l’énergie minimale requise pour produire une telle paire. Ce seuil favorise la formation d’un état quasi-liaison. Cette observation a conduit les chercheurs à envisager l’hypothèse alternative d’une union éphémère d’un quark top et d’un antiquark, autrefois jugée trop insaisissable pour être détectée au LHC.

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Formation d’une rare union

Les scientifiques du CMS ont mesuré le taux de production de cet excès à 8,8 picobarns, avec une incertitude de 1,3 picobarns. Ce résultat a franchi le seuil des cinq sigma requis pour revendiquer une découverte en physique des particules. ATLAS a confirmé la découverte en utilisant son ensemble de données complet, rapportant une section efficace presque identique et rejetant les modèles non-toponium avec une signification de 7,7 sigma.

Identifier la cause de ce phénomène inattendu demeure un défi. Une possibilité est l’existence d’une nouvelle particule, de masse proche du double de celle du quark top, formée lors de collisions de gluons et se désintégrant en une paire quark top-antiquark. Confirmer cela nécessitera des modélisations précises du comportement des quarks et des gluons grâce à des calculs de QCD de pointe.

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Implications pour la physique des particules

Si l’existence du toponium est confirmée, cela représenterait une avancée majeure en physique des particules, rejoignant le charmonium et le bottomonium comme derniers représentants d’une série d’états quark-antiquark de courte durée. Avec le début de la Run 3 du LHC, les scientifiques se préparent à engranger de nouvelles informations sur la force forte.

Ce développement souligne l’importance des données de collisions proton-proton enregistrées lors de la Run 2 du LHC, ainsi que des avancées dans les techniques d’analyse. Cette découverte renverse une hypothèse de longue date selon laquelle de tels événements proches du seuil seraient impossibles à détecter au LHC.

Vers de nouvelles découvertes

L’observation d’un effet QCD non relativiste, autrefois jugé trop difficile à détecter, constitue un grand triomphe pour le programme expérimental du LHC. Les équipes du CMS et de l’ATLAS sont impatientes de collaborer avec les théoriciens pour mieux comprendre cet aspect fascinant du Modèle Standard. Cela pourrait potentiellement ouvrir la voie à la découverte de nouvelles particules et offrir des perspectives inédites sur les interactions fondamentales de la matière.

La quête pour comprendre les interactions subatomiques se poursuit, et chaque nouvelle découverte soulève davantage de questions. Quels autres secrets l’univers cache-t-il encore dans les interactions mystérieuses de ces particules éphémères ?