Une énigme longtemps considérée comme insoluble vient d’être démasquée au Large Hadron Collider (LHC) du CERN. Les expériences jumelles CMS et ATLAS ont confirmé l’existence d’un phénomène inattendu : les quarks top, les particules élémentaires les plus lourdes et les plus éphémères, peuvent former un état « quasi-lié » appelé toponium. Cette découverte spectaculaire promet de bouleverser notre compréhension des forces fondamentales et ouvre une nouvelle ère pour la physique des particules.
Le mystère des quarks top et leur « romance » inattendue
Au cœur des gigantesques collisions de protons au LHC, les quarks top et leurs antiparticules sont régulièrement produits. Mesurer la probabilité, ou « section efficace », de ce processus est une pierre angulaire pour tester la robustesse du Modèle Standard de la physique des particules, notre meilleure description de la matière et des forces fondamentales, tout en étant une voie privilégiée pour débusquer de nouvelles particules. L’année dernière, les chercheurs de l’expérience CMS ont remarqué une anomalie : un surplus de paires quark top-antiquark top, particulièrement visible à l’énergie minimale requise pour leur production. Ce « signal » inattendu, souvent un signe avant-coureur de nouvelle physique, a poussé les équipes à envisager une hypothèse audacieuse : la formation d’un état éphémère de toponium.
Le quark top est généralement un « solitaire » ; sa durée de vie est si courte qu’il se désintègre presque instantanément, bien avant de pouvoir s’associer à d’autres quarks pour former des états liés stables, comme c’est le cas pour les autres quarks qui composent les protons et les neutrons (les hadrons). Cependant, les lois de la mécanique quantique autorisent une « danse » singulière : si un quark top et son antiquark sont produits presque au repos l’un par rapport à l’autre, ils peuvent échanger des gluons, les messagers de la force nucléaire forte (décrite par la chromodynamique quantique ou QCD), et ainsi former un toponium avant leur désintégration.
Une confirmation retentissante à la résonance « cinq sigma »
Basée sur cette hypothèse simplifiée de production de toponium, l’expérience CMS a mesuré une section efficace pour cet excès de paires quark top-antiquark top de 8,8 picobarns (pb), avec une incertitude d’environ 1,3 pb. Ce résultat a franchi le seuil des « cinq sigma » de certitude, le standard d’or en physique des particules pour revendiquer une découverte. Cela signifie qu’il est extrêmement improbable que cet excès soit une simple fluctuation statistique. Comme l’a souligné Gautier Hamel de Monchenault, porte-parole de CMS, lors de la conférence européenne sur la physique des hautes énergies à Marseille : « L’observation d’un effet QCD non relativiste que l’on pensait trop difficile à détecter est un grand triomphe pour le programme expérimental du LHC. »
L’excitation a grandi lorsque l’expérience sœur, ATLAS, a également confirmé ce phénomène, analysant l’intégralité des données du « Run 2 » du LHC, collectées entre 2015 et 2018. Les données d’ATLAS ont rejeté les modèles ignorant la formation d’un état quasi-lié avec une signification encore plus forte de 7,7 sigma, et ont déterminé une section efficace de 9,0 ± 1,3 pb, en parfait accord avec les mesures de CMS. Stéphane Willocq, porte-parole d’ATLAS, a salué cette avancée : « Pendant longtemps, il a été considéré comme expérimentalement irréalisable de mesurer cet effet subtil au LHC… Cependant, grâce à l’abondance des données proton-proton enregistrées… et aux avancées dans les techniques d’analyse, cette hypothèse de longue date est maintenant remise en question. »
Toponium ou Nouvelle Physique : Le Débat est Ouvert
Bien qu’il n’y ait plus aucun doute sur la présence d’un phénomène imprévu dans les données du LHC, l’enjeu majeur est désormais de déterminer sa cause sous-jacente avec certitude. Si l’hypothèse du toponium est la piste privilégiée, d’autres explications ne sont pas exclues. Par exemple, l’excès pourrait être dû à l’existence d’une nouvelle particule, encore inconnue du Modèle Standard, avec une masse proche du double de celle du quark top. Cette particule « exotique » serait produite lors des collisions de gluons et se désintégrerait ensuite en une paire quark top-antiquark top. La résolution de cette énigme dépendra d’une modélisation extrêmement précise du comportement des quarks et des gluons dans l’environnement complexe des collisions de protons à haute énergie, nécessitant des calculs de chromodynamique quantique (QCD) de pointe.
Si la confirmation du toponium se précise, cette découverte ajouterait un nouveau chapitre fascinant à l’histoire des quarkonia. Ce terme désigne des états instables formés par l’appariement de quarks lourds et d’antiquarks de même saveur. Le charmonium (quark charm-antiquark charm) avait été découvert en 1974, déclenchant une « révolution de novembre » en physique des particules, suivi par le bottomonium (quark bottom-antiquark bottom) trois ans plus tard. L’avènement du toponium confirmerait que même les particules les plus fugaces peuvent révéler des secrets profonds sur la structure de l’univers.
L’avenir s’écrit à grande vitesse au cœur de l’Europe
Cette observation conjointe par ATLAS et CMS, deux expériences phares du CERN, institution scientifique européenne d’envergure mondiale située à la frontière franco-suisse, démontre non seulement la puissance de la collaboration scientifique mais aussi la capacité du LHC à sonder des phénomènes d’une subtilité insoupçonnée. Comme l’a souligné Joachim Mnich, directeur de la recherche et de l’informatique au CERN : « Ces résultats impressionnants d’ATLAS et de CMS prouvent qu’il y a encore beaucoup à apprendre sur le Modèle Standard de la physique des particules à hautes énergies. Ils montrent que des mesures de haute précision, dont beaucoup n’étaient jamais considérées comme possibles avec un collisionneur de hadrons, peuvent révéler des phénomènes remarquablement subtils qui approfondissent notre compréhension de la nature. »
Avec le « Run 3 » du LHC actuellement en cours et promettant un volume de données considérablement accru, les collaborations ATLAS et CMS sont prêtes à intensifier l’exploration de la force forte via les interactions quark top-antiquark top dans le régime non relativiste. Le dénouement de cette « romance » quantique s’annonce passionnant, avec la perspective de réécrire des pans entiers de la physique fondamentale et de repousser toujours plus loin les limites de notre connaissance de l’univers.
Mots-clés : quark top, toponium, LHC, CERN, Modèle Standard
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