Une observation inédite et des plus intrigantes au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN vient de secouer le monde de la physique des particules. Les expériences ATLAS et CMS confirment qu’une brève rencontre entre les quarks top, les particules élémentaires les plus lourdes, et leurs antiparticules pourrait former un « quasi-état lié » appelé toponium. Cette découverte ouvre de nouvelles voies pour comprendre la force fondamentale la plus puissante de l’univers et repousse les limites de notre connaissance du Modèle Standard.
Le quark top : un géant éphémère et solitaire
Le quark top est une star singulière dans le panthéon des particules élémentaires. Avec une masse comparable à celle d’un atome d’or, il est de loin le plus lourd des quarks. Mais sa célébrité est aussi due à son incroyable brièveté : il se désintègre en une fraction de seconde, bien avant d’avoir le temps de former des « états liés » stables comme le font ses cousins plus légers (les quarks up, down, strange, charm et bottom) pour créer des hadrons. C’est pourquoi l’idée qu’un quark top et un antiquark top puissent s’unir, même temporairement, a longtemps été considérée comme une chimère expérimentale.
Pourtant, c’est précisément ce scénario « romantique » qu’une collaboration entre des théoriciens et des expérimentateurs du CERN suggère aujourd’hui. Ces « quasi-états liés », baptisés toponium, sont des structures instables où un quark top et son antiparticule, produits presque au repos l’un par rapport à l’autre, échangent des gluons – les messagers de la force nucléaire forte – pour se maintenir ensemble avant de se désintégrer. Une danse quantique d’une complexité fascinante, rendue possible par les lois de la mécanique quantique.
Un signal inattendu qui défie le Modèle Standard
Tout a commencé l’année dernière, lorsque les chercheurs de l’expérience CMS, analysant une gigantesque collection de données de collisions proton-proton (collectées entre 2016 et 2018) au LHC, ont fait une observation singulière. Alors qu’ils recherchaient de nouveaux types de bosons de Higgs, ils ont détecté un surplus inattendu de paires de quarks top-antiquarks top. Ce « signal » s’est manifesté précisément au niveau d’énergie minimal requis pour produire une telle paire, un indice fort pointant vers une nouvelle physique ou un phénomène inédit.
Ce résultat intrigant a mené les physiciens à envisager l’hypothèse audacieuse du toponium, un concept longtemps jugé trop difficile à détecter. Comme l’a expliqué Gautier Hamel de Monchenault, porte-parole de CMS, cette observation d’un effet non-relativiste de la chromodynamique quantique (QCD) « est un grand triomphe pour le programme expérimental du LHC« . La mesure de la section efficace pour cet excès par CMS s’est établie à 8,8 picobarns (pb) avec une incertitude d’environ 1,3 pb, atteignant le seuil des « cinq sigmas » – le niveau de certitude exigé en physique des particules pour revendiquer une découverte. Cela rend extrêmement improbable que cet excès soit une simple fluctuation statistique.
La confirmation qui bouleverse la physique des particules
L’excitation a redoublé lorsque l’expérience sœur, ATLAS, a confirmé cette observation. En examinant l’ensemble des données de la « Période d’exploitation 2 » du LHC (2015 à 2018), la collaboration ATLAS a constaté le même effet. Leurs données rejettent les modèles qui ignorent la formation d’un quasi-état lié avec une signification de 7,7 sigmas, et déterminent une section efficace de production de l’excès de paires quark top-antiquark top de 9,0 ± 1,3 pb. Cette valeur est en parfait accord avec les mesures de CMS, solidifiant ainsi la preuve d’un phénomène nouveau.
Stéphane Willocq, porte-parole d’ATLAS, a souligné l’importance de ce pas en avant : « Pendant longtemps, il a été considéré comme expérimentalement infaisable 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 désormais remise en question. » Une preuve éclatante de la capacité des physiciens à scruter les recoins les plus ténus de la matière.
Toponium ou nouvelle physique ? L’énigme subsiste
Bien qu’il n’y ait plus de doute sur la présence d’un phénomène inattendu dans les données du LHC, l’interprétation finale de sa cause sous-jacente reste un défi. Si l’hypothèse du toponium est la plus prometteuse, d’autres possibilités sont également envisagées. Il pourrait s’agir, par exemple, de l’existence d’une nouvelle particule dont la masse serait proche du double de celle du quark top, produite lors de collisions de gluons et se désintégrant en une paire quark top-antiquark top. La résolution de cette énigme nécessitera des calculs de chromodynamique quantique (QCD) extrêmement précis et à la pointe de la recherche.
La découverte d’un toponium, si elle est confirmée, enrichirait la saga des « quarkonia ». Ces états instables, formés de paires quark-antiquark lourds de même saveur, ont déjà marqué l’histoire de la physique des particules. Le charmonium (charm-anticharm) en 1974 a déclenché la « Révolution de Novembre », suivi du bottomonium (bottom-antibottom) trois ans plus tard. L’ajout du toponium à cette famille serait une nouvelle pierre angulaire dans notre compréhension des forces fondamentales.
Perspectives : Le LHC, laboratoire des mystères ultimes
Ces résultats impressionnants des collaborations ATLAS et CMS démontrent qu’il y a encore beaucoup à apprendre sur le Modèle Standard de la physique des particules, même à des énergies élevées. Joachim Mnich, directeur de la recherche et de l’informatique au CERN, a déclaré : « Ces mesures de haute précision, dont beaucoup n’étaient jamais considérées comme possibles dans un collisionneur de hadrons, peuvent révéler des phénomènes remarquablement subtils qui approfondissent notre compréhension de la nature.«
Avec la « Période d’exploitation 3 » (Run 3) du LHC en cours, qui promet de fournir encore plus de données, les collaborations ATLAS et CMS sont prêtes à approfondir l’exploration de la force forte via les interactions quark top-antiquark top dans ce régime non-relativiste. La quête de la vérité sur la matière et l’univers continue, et le CERN reste à l’avant-garde de cette aventure humaine, promettant de nouvelles découvertes qui pourraient bien réécrire nos manuels de physique.
Mots-clés : Quark top, LHC, CERN, Toponium, Physique des particules
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