Comme Futura l’expliquait il y a quelques mois, le Cern célèbre cette année son 70e anniversaire de descente dans le monde de l’infiniment petit avec le microscopesmicroscopes accélérateurs de particules à haute énergie équipés de détecteurs. Il s’agit de sonder les mystères des forces et de la matière, notamment lors de la Big BangBig Bang.
Après la découverte des quarks il y a près de 60 ans, suivie peu après par celle de la théorie électrofaible et de la chromodynamique quantique, physiciensphysiciens compris qu’environ un millionième de seconde après le Big Bang, le plasma de quarks et gluonsgluonsparfois appelé quagma, qui composait en partie le contenu duUniversUnivers primordial, a dû se condenser en gouttes de liquideliquide hadronique, c’est-à-dire protonsprotons et neutronsneutrons avec le bain des autres hadronshadrons transitoire et très instable comme le mésonsmésons et les hyperons.
Les physiciens de CernCern savoir recréer cet événement avec des collisions entre ionsions objets lourds accélérés par le Grand collisionneur de hadrons (LHCLHC). Les produits de ces collisions et les phénomènes associés sont étudiés grâce à Alice, l’un des grands détecteurs géants du LHC. Depuis des années, les chercheurs y recherchent des formes de matière. exotiqueexotique appelés « hypernoyaux », ainsi que leurs antinoyaux correspondants, mais qui existent de manière éphémère une fois synthétisés, ce qui explique pourquoi nous ne voyons généralement pas cette forme de matière autour de nous. Ils espèrent mieux comprendre non seulement les fondements de la matière hadronique, mais aussi trouver des indices pour expliquer l’énigme de l’antimatière cosmologique.
Alice étudie le plasma de quarks et de gluons, un état de la matière qui aurait existé juste après le Big Bang. ©RTS, ARTE GEIE et le Cern
L’antihypernoyau le plus lourd connu
On sait en effet que selon le physiquephysique hautes énergies connues, autant de particules de matière queantimatièreantimatière les jumeaux ont dû exister lors du Big Bang pour finir par s’annihiler en donnant photonsphotons. En clair, ce n’est pas le cas et il semble qu’une nouvelle physique ait permis de produire un peu plus de matière que d’antimatière, mais laquelle ?
Les membres de la collaboration Alice ont mis en ligne, sur arXiv, un article accompagné d’un communiqué de presse du Cern pour annoncer qu’ils ont réussi à produire et découvrir de nouveaux hypernoyaux et antihypernoyaux. Mais qu’est-ce que c’est exactement ?
Pour le savoir, revenons un peu en arrière. C’est au tout début des années 1930 que Werner Heisenberg propose le concept moderne du noyau de atomesatomes composé de protons et de neutrons. Nous ne connaissions alors que ces particules et électronsélectrons et leur antiparticulesantiparticules au cours de cette décennie qui a vu Robert Oppenheimer et ses étudiants poser les bases de la théorie de étoiles à neutronsétoiles à neutrons et trous noirstrous noirs.
Cependant, nous avons commencé à soupçonner l’existence de neutrinosneutrinos et des cousins massifs des photons « collant » ensemble les protons et les neutrons dans les noyaux, à savoir les pions Yukawa. Ce n’est que dans les années 1940 et 1960 qu’un raz-de-maréeraz-de-marée de nouvelles particules subatomiques apparaîtront et conduiront à l’image moderne de la matière avec leptonsleptons et les hadrons.
Hadrons, leptons, mésons, hypérons… et tout ça
Rappelons également que c’est le physicien russe Lev Okun qui, en 1962, proposa d’appeler hadrons l’ensemble des particules sensibles aux fortes forces nucléaires entre protons et neutrons. Du mot grec hadrosqui signifie plus ou moins large et lourd, il opposa le nom de lepton, du grec λεπτός / leptos (« lumière »), petit et léger, utilisé pour décrire les électrons et les neutrinos. Ce choix était logique puisqu’un proton, comme un neutron, est près de 2 000 fois plus lourd qu’un électron et considérablement plus lourd que les neutrinos.
Les particules hadroniques de massesmasses intermédiaires entre ceux des électrons et des protons étaient appelés mésons, autre mot qui vient du grec, ici moyen ce qui signifie « le milieu, la bonne mesure ».
Les particules hadroniques aussi lourdes, voire plus lourdes que les protons et les neutrons, sont appelées baryonsbaryonstoujours à cause du grec et dans ce cas barysce qui signifie « lourd ».
Le zoo hadronique a été expliqué dans les années 1960 et 1970 avec le développement et la découverte de la théorie des quarks et il est devenu clair que les mésons étaient des paires de quarks et d’antiquarks, tandis que les baryons étaient des triplets. Parmi ces triplés, certains ont été découverts rayons cosmiquesrayons cosmiques et ils sont plus lourds que les protons et les neutrons, c’est pourquoi ils ont été logiquement appelés hypérons.
Le terme a été inventé par le physicien français Louis Leprince-Ringuet en 1953 et annoncé pour la première fois lors de la conférence sur les rayons cosmiques à Bagnères-de-Bigorre. Fait remarquable, dès 1952, les physiciens Danysz et Pniewski ont également découvert dans les rayons cosmiques une classe de noyaux appelés hypernoyaux ou hyperfragments. Ils avaient montré qu’il s’agissait de noyaux dans lesquels un proton ou un neutron avait été remplacé par un hypéron.
Une table de Mendeleïev pour les hypernoyaux
Depuis lors, les hypernoyaux et les hypérons ont été étudiés, et on sait que les hypérons sont des particules instables qui contiennent au moins un quark étrangequark étrangemais pas de beau quark ou quark charméquark charmé. Créées éphémèrement dans un accélérateur, ces particules devraient exister à l’intérieur d’étoiles à neutrons, où peut également exister un plasma de quarks et de gluons.
Lors de collisions réalisées dans le cadre de la physique nucléaire ou de la physique des particules, des hypérons peuvent également être créés. Puisqu’ils sont sensibles à interactions fortesinteractions fortesils peuvent être incorporés dans un noyau pour donner des hypernoyaux, caractérisés par un certain nombre de charges électriques Z, mais aussi une autre nombre quantiquenombre quantique S, étrangeté, portée par le quark étrange présent dans l’hypéron.
Nous avions donc détecté depuis longtemps des noyaux exotiques de ce genre, prolongeant d’une certaine manière la La peinture de MendeleïevLa peinture de Mendeleïev.
En effet, comme Futura l’expliquait dans un article précédent, le 23 août 2023, lors de la conférence de la Société européenne de physique sur la physique des hautes énergies (EPS-HEP), la collaboration LHCb, utilisant un autre détecteur géant avec le LHC, a annoncé sa première observation de hypertritons et antihypertritons.
Les hypertritons tirent leur nom du fait qu’ils sont des analogues de isotopesisotopes de lahydrogènehydrogène quels sont les noyaux de tritiumtritiumc’est-à-dire avec un proton et deux neutrons. Mais dans le cas présent, l’un des neutrons ou antineutrons est remplacé par un hypéron ou un antihyperon Λ.
Antihyperhélium-4 à base d’antilambda
On comprend désormais ce qu’a annoncé la collaboration Alice au LHC, à savoir la toute première observation de noyaux d’antihyperhélium-4, composé de deux antiprotonsantiprotonsun antineutron et un antilambda. Il s’agit également de l’hypernoyau d’antimatière le plus lourd jamais observé au LHC.
Le communiqué du Cern explique que la découverte repose sur « données d’accident plombplomb-plomb pris en 2018 à une énergie de 5,02 téraélectronvolts (TeV) pour chaque paire de nucléonsnucléons en collision (protons et neutrons). En utilisant une technique d’apprentissage automatique qui surpasse les techniques conventionnelles de recherche d’hypernoyaux, les chercheurs d’Alice ont examiné les données pour détecter les signaux de l’hyperhydrogène-4 (composé d’un antiproton, de deux antineutrons et d’un antilambda), de l’hyperhélium-4 et de leurs partenaires antimatière. Les candidats pour l'(anti)hyperhydrogène-4 ont été identifiés en recherchant le noyau de l'(anti)hyperhydrogène-4.héliumhélium-4 et le pion chargé dans lequel il se désintègre, tandis que les candidats pour l'(anti)hyperhélium-4 ont été identifiés via sa désintégration en un noyau (anti)hélium-3, un (anti)proton et un pion chargé ».
Le Cern explique enfin que « Les chercheurs ont également déterminé les rapports de rendement antiparticule/particule pour les deux hypernoyaux et ont constaté qu’ils concordaient avec l’unité, en tenant compte des incertitudes expérimentales. Cette correspondance est cohérente avec les observations d’Alice d’une production égale de matière et d’antimatière aux énergies du LHC et s’ajoute aux recherches en cours sur le déséquilibre matière-antimatière dans l’Univers. ».
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