Il y a 50 ans, nous avons découvert le quatrième quark

Il y a à peine 50 ans, un groupe de physiciens découvrait un nouveau quark, la « pierre angulaire » des protons et des neutrons. Récit d’un de ses découvreurs.

Au début des années 1970, les physiciens des particules disposaient de deux imposants centres d’accélérateurs pour étudier l’infiniment petit : le CERN européen à Genève et l’américain Brookhaven près de New York. Chacune abritait un accélérateur de protons de 620 m de circonférence, capable d’atteindre l’énergie alors stupéfiante de 25 GeV. L’unité d’énergie ici est l’électron-volt (eV), 1eV étant l’énergie d’un électron traversant une tension de 1V. On utilise des multiples : keV (10³), MeV (10⁶) un GeV (10⁹). Cela reste infinitésimal par rapport au monde ordinaire. 1 GeV, équivalent à la masse du proton, correspond à une énergie qui élèverait la température d’un gramme d’eau d’un milliardième de degré !

Grâce à ces machines, la physique a multiplié le nombre de particules élémentaires en suivant une recette simple : en bombardant une cible avec un faisceau de protons accélérés, on analysait les particules qui en sortaient. Nous avons ainsi accumulé environ 200 types d’objets élémentaires, notamment de nombreuses résonances.

Qu’est-ce qu’une résonance ? Si des particules telles que des protons, des électrons, des pions, des kaons, etc. peuvent être suivies sur des distances macroscopiques, les résonances se désintègrent dès leur création, donnant deux ou trois particules qu’il faut associer pour retrouver la résonance originelle. Empiriquement, il a été constaté que plus leur masse est élevée, plus leur durée de vie est courte, atteignant 10^-23 s. La discipline languissait depuis plusieurs années sans orientation claire devant un zoo hétéroclite aux allures plutôt brouillonnes.

Le jeu Lego quark

200 objets élémentaires pour construire le monde, ça ne pourrait pas être le dernier mot. Heureusement, les physiciens Murray Gell-Mann d’une part et George Zweig d’autre part ont suggéré l’existence de constituants plus élémentaires à la base des particules répertoriées. Gell-Mann les appela quarks et montra que les 200 espèces connues pouvaient être comprises comme des assemblages de trois quarks différents appelés u, d et s. Zweig les appelait « as » mais « quark », ce qui vient du roman de James Joyce Finnegans réveilest imposée.

Les quarks portent des charges électriques qui représentent une fraction de la charge élémentaire de l’électron, respectivement +2/3 pour u et -1/3 pour d et s. Avec ces trois objets fondamentaux et trois antiquarks associés portant la charge opposée, nous reconstruisons deux familles de particules :

• les baryons qui sont des triplets de quarks, par exemple uud et udd forment respectivement des protons et des neutrons ; les charges +1 et 0 sont correctement restituées.

• les mésons qui sont des couples associant un quark et un antiquark,

Avec seulement trois dés disponibles, la nature a construit toutes les particules connues. Il manquait une association, celle du baryon correspondant au triplet sss. C’était la prédiction du modèle. Une recherche a été menée et le « gros Ω » a été découvert à Brookhaven en 1964 à la masse prédite. Gell-Mann a reçu le prix Nobel en 1969.

Toutes les particules connues ont une charge électrique +1, 0, -1 celle de l’électron. Les charges non entières censées caractériser les quarks n’ont jamais été observées librement. Cependant, les quarks existent dans la mesure où ils opèrent lors d’interactions entre particules. Mais, dès leur création, ils « s’habillent » d’autres quarks ou antiquarks pour former de « vraies » particules, baryons ou mésons. A notre échelle, les quarks restent des objets virtuels, nécessaires à l’interprétation des observations.

Les quarks constituent le niveau de matière le plus élémentaire exploré à ce jour. Leur « taille » est inférieure à 10^-18 m alors que les particules qu’elles composent sont mille fois plus grosses.

La révolution du 10 novembre 1974

Aux deux grands laboratoires mentionnés s’ajoutent des centres plus modestes. En France, une machine à protons fonctionnait à Saclay et une machine à électrons à Orsay. Un système était également en développement sur le campus de Stanford, au cœur de la Silicon Valley, au sud de San Francisco. Le laboratoire, baptisé SLAC, avait construit un accélérateur « sur le parking », c’est-à-dire entièrement financé par les frais de fonctionnement, sans demande de budget spécifique, ce qui mérite d’être souligné aujourd’hui ! Il s’agissait d’un dispositif accélérant des électrons et des positons dans la direction opposée dans un collisionneur de 80 m de diamètre, avec une énergie maximale de 4 GeV par faisceau. Il prit le nom de SPEAR, « Stanford Positron Electron Accelerator Ring ».

Autour d’un point d’interaction entre les positrons et les électrons, un nouveau détecteur a été construit pour mesurer au mieux tous les produits de la collision. C’était le premier détecteur hermétique qui couvrait tout l’espace afin que rien ne puisse s’échapper. Nous l’avons appelé Mark1.

L’expérience a commencé à collecter des données dès 1973 et c’était embarrassant. L’ordinateur qui gérait la collecte des données enregistrait environ une collision toutes les deux à trois minutes, qu’il signalait en émettant un bref son. Ce taux était plusieurs fois supérieur à celui prévu par la théorie.

Nous avons fait varier l’énergie selon un balayage relativement grossier, par pas de 50 MeV : ainsi, nous avons mesuré le taux de collision à 2 550 GeV puis 2 600 GeV puis 2 650 GeV… Deux problèmes sont apparus. Tout d’abord, comme nous l’avons déjà mentionné, le taux d’interaction s’est avéré nettement plus élevé que prévu. De plus, les données prises à l’énergie nominale de 3 100 GeV sur trois périodes différentes n’étaient pas en accord les unes avec les autres, deux périodes donnant des taux beaucoup plus élevés que la troisième. La reproductibilité de la physique semblait violée.

Le signal magique

Et puis, quelqu’un a eu l’idée de faire un scan énergétique beaucoup plus fin. Au lieu d’augmenter de 50 MeV à 50 MeV, nous ferions varier l’énergie par petits pas de 2 MeV à 2 MeV. Et là, le miracle s’est révélé le 10 novembre 1974, c’était un dimanche. Nous étions trois ou quatre dans la salle de contrôle lorsque l’ordinateur, qui émettait son petit son à chaque nouvelle collision, au lieu de crépiter toutes les deux ou trois minutes, a commencé à accélérer la cadence. C’était le signal magique que nous espérions tous : entre les énergies de 3100 et 3120 MeV, le taux d’interactions, et donc le signal sonore de l’ordinateur, a soudainement augmenté d’un facteur 100. La « fusillade » a duré quelques minutes . Puis, le pic découvert ayant été dépassé, l’ordinateur reprit aussitôt sa routine au bout de deux minutes.

Une structure claire avait été révélée, une « résonance étroite » de masse 3096 MeV et de largeur 87 keV venait d’être révélée. Cette largeur indiquait une durée de vie 100 fois supérieure à celle attendue. Nous recherchions un profil de colline du Jura et découvrons un sommet alpin. Un phénomène complètement nouveau est apparu.

Une publication est rapidement rédigée, signée par un groupe d’une trentaine de physiciens, un contingent qui à l’époque paraissait monstrueux et qui s’avère aujourd’hui très modeste. Elle a renouvelé la vision du monde de l’infiniment petit et l’événement a été appelé la « révolution de Novembre 74 ».

Il fallait donner un nom. Quelques lettres grecques sont restées libres et nous avons choisi Ψ. Pourquoi cette particule a-t-elle eu une durée de vie si longue ? L’interprétation n’était pas évidente. Deux écoles se sont disputées lors d’une semaine fébrile au troisième étage du laboratoire où les théoriciens bivouaquaient, entre les partisans de la libération des couleurs, d’une nouvelle « charge » imaginée pour associer les quarks entre eux, et ceux prônant l’apparition d’un nouveau quark. Le verdict était tombé : l’expérience venait de découvrir le quatrième quark, appelé c pour charmé. Ceci complète la liste des constituants élémentaires au-delà des trois quarks u, d et s introduits par Gell-Mann.

Et si un nouveau quark existe, il annonce toute une famille de particules charmées correspondant à toutes les combinaisons permises entre quatre quarks. Déjà, le 17 novembre, nous trouvions le méson Ψ’ de masse de 3700 MeV, un autre avatar de ce que nous appelions charmonium, qui associait le quark ac à son anti-c.

Pourquoi « charme » ?

Quant aux nouveau-nés, le charme du prénom vient de la plaisanterie d’un parrain. En astronomie, les planètes portent le nom d’anciens dieux. Pour les particules, on aurait pu les numéroter, on a choisi de les classer selon l’alphabet, grec de préférence. Ainsi Δ, μ, Φ, Σ, Λ… presque toutes les lettres ont été utilisées. Le grec a été favorisé afin que la physique égale en respectabilité sa sœur, la philosophie. Mais vers les années 1960, le langage a évolué. Les nouveaux scientifiques, moins imprégnés de culture classique, adoptent des noms plus prosaïques. D’étranges particules avec leur quark s (étrange) avait balisé l’itinéraire. Charme a été adopté pour le c, et l’histoire se répétera avec le beau quark b (ou bas) et le vrai quark top (vérité ou en haut). On sait aujourd’hui qu’avec ces six objets la liste des quarks est complète, il n’y a plus rien à découvrir de ce côté-là.

Pour terminer l’histoire, la même résonance a été découverte indépendamment dans des collisions de protons à Brookhaven, et là le groupe a choisi le nom J. Cette lettre, étrangère au grec, ressemble à un caractère chinois qui s’écrit comme le nom de famille de son découvreur. Et pour ne froisser personne, les physiciens continuent d’appeler le méson enchanté du nom un peu baroque de J/Ψ.