Première détection de particules « X » exotiques dans le plasma quark gluon
Dans les premiers millionièmes de seconde après le Big Bang, notre univers était une attraction agitée de particules subatomiques, un plasma de trillions, de degrés de quarks et de gluons – des particules élémentaires qui interagissaient éventuellement les unes avec les autres sur d’innombrables combinaisons avant de se refroidir et de s’installer dans plus des configurations stables pour fabriquer les neutrons, mais également les protons de la matière que nous connaissons aujourd’hui.
Dans la tourmente qui a précédé le refroidissement, une fraction de ces quarks et gluons sont entrées en collision au hasard pour former des particules « X » rapidement, ainsi nommées pour leurs structures énigmatiques et inconnues. Aujourd’hui, les particules X sont exceptionnellement rares, bien que les physiciens aient émis l’hypothèse qu’elles pourraient être développées dans des accélérateurs de particules à coalescence de quarks, où des collisions à haute énergie peuvent créer des éclairs comparables de plasma quark gluon.
Aujourd’hui, des physiciens du Laboratoire de science nucléaire du MIT et d’ailleurs ont découvert la preuve de particules X dans le plasma quark gluon créé dans le Grand collisionneur d’hadrons (LHC) du CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, basée près de Genève, en Suisse.
Un début brillant
Le groupe a utilisé des techniques d’apprentissage automatique pour trier plus de 13 milliards de collisions d’ions lourds, chacune ayant généré des dizaines de milliers de particules chargées. Au milieu de cette soupe de particules ultra-dense et à haute énergie, les chercheurs ont pu décélérer environ 100 particules X, d’un type appelé X (3872), du nom de la masse approximative de la particule.
Les résultats, publiés aujourd’hui dans Physical Review Letters, marquent la première fois que des scientifiques ont trouvé des particules X dans un plasma quark gluon – une atmosphère qui, espèrent-ils, éclairera la structure encore inconnue des particules.
« C’est uniquement le début de l’histoire », déclare l’auteur principal Yen-Jie Lee, associé de physique en développement de carrière professeur de 1958 au MIT. « Nous avons montré que nous pouvions trouver un signal. Lors des prochaines années, nous pourrions utiliser le plasma quark gluon pour sonder la structure interne de la particule X, ce qui changerait peut-être notre vision du type de matériau que l’univers devrait créer.
Les co-auteurs de la recherche sont membres de la collaboration CMS, une équipe internationale de scientifiques qui dirige et collecte les données du Compact Muon Solenoid, l’un des détecteurs de particules du LHC.
Particules dans le plasma
Les éléments constitutifs de la matière sont le neutron de même que le proton. Chacun d’eux est constitué de trois quarks solidairement liés.
« Pendant des années, nous avons pensé que pour une raison quelconque, la nature avait choisi de produire des particules constituées uniquement de deux ou trois quarks », déclare Lee.
Tout récemment, les physiciens ont commencé à voir des signes de « tétra quarks » exotiques – des particules constituées d’une combinaison rare de quatre quarks. Les scientifiques pensent que X (3872) est soit un tétra quark compact, soit une toute nouvelle sorte de molécule constituée non pas d’atomes, mais de deux mésons librement liés, des particules subatomiques elles-mêmes constituées de 2 quarks.
X (3872) a été découvert pour la première fois en 2003 par l’expérience. Belle, un collisionneur de particules au Japon qui fait entrer en collision des électrons et des positrons de haute énergie. Dans cet environnement, néanmoins, les particules rares se sont désintégrées trop rapidement pour que les chercheurs capables analysent leur structure en détail. On a en fait émis l’hypothèse que X (3872) et d’autres particules exotiques pourraient être beaucoup mieux illuminées dans le plasma quark gluon.
« En théorie, il existe de nombreux quarks et gluons dans le plasma dont la fabrication de particules X doit être améliorée », déclare Lee. “Cependant, les personnes pensaient qu’il serait trop difficile de les rechercher, car il y a tellement d’autres particules créées dans cette soupe de quarks.”
« Vraiment un signal »
Dans leur toute nouvelle étude, Lee et ses collègues ont recherché des signes de particules X dans le plasma quark gluon créé par des collisions d’ions lourds dans le Grand collisionneur d’hadrons du CERN. Ils ont basé leur évaluation sur l’ensemble de données du LHC de 2018, qui doivent plus de 13 milliards de collisions d’ions plomb, chacune ayant lancé des quarks et des gluons qui se sont propagés et fusionnés pour créer plus d’un quadrillion de particules à courte durée de vie avant de se refroidir et de se désintégrer.
« Après la formation et le refroidissement du plasma quark gluon, il y a tellement de particules produites que le fond est stupéfiant », affirme Lee. “Nous avons donc dû éliminer cet arrière-plan pour nous assurer que nous pourrions éventuellement voir les particules X dans nos données.”
Pour ce faire, le groupe a utilisé un algorithme d’apprentissage automatique qu’ils ont formé pour sélectionner les modèles de dégénérescence caractéristiques des particules X. Immédiatement après la formation des particules dans le plasma quark gluon, elles se décomposent rapidement en particules « filles » qui se propagent. Pour les particules X, ce modèle de désintégration, ou circulation angulaire, se distingue de toutes les autres particules.
Les scientifiques, dirigés par le post-doctorant du MIT Jing Wang, ont identifié des variables clés qui détaillent la forme du schéma de désintégration des particules X. Ils ont formé un algorithme d’apprentissage automatique pour reconnaître ces variables. Ensuite, ils ont alimenté la formule avec les données réelles des expériences de collision du LHC. L’algorithme pouvait passer au crible l’ensemble de données nécessaires dense et bruyant pour sélectionner les variables cruciales qui résultaient probablement de la décomposition des particules X.
« Nous avons réussi à réduire le bruit de fond par ordre de grandeur pour voir le signal », déclare Wang.
Les scientifiques ont zoomé sur les signaux et ils ont observé un pic à une masse particulière, indiquant la présence de particules X (3872), environ 100 en tout.
« Il est pratiquement inimaginable que nous puissions démêler ces 100 particules de cet énorme ensemble de données », affirme Lee, qui, avec Wang, à vérifier pour vérifier leur observation.
« Chaque soir, je me demande, est-ce vraiment un signal ou non ? », se souvient Wang. « Finalement, les données ont dit oui !
Dans un an ou deux, les chercheurs ont l’intention de collecter beaucoup plus de données, ce qui devrait aider à élucider la structure de la particule X. Si la particule est un tétra quark solidement lié, elle doit se désintégrer beaucoup plus progressivement que s’il s’agissait d’une molécule faiblement liée. Depuis que l’équipe a révélé que les particules X peuvent être contenues dans le plasma quark gluon, ils se préparent à sonder cette particule avec un plasma quark gluon de manière beaucoup plus détaillée, afin de déterminer la structure de la particule X.
« Actuellement, nos données suivent les deux parce que nous avons bientôt assez de statistiques. Dans les prochaines années, nous prenons beaucoup plus de données pour pouvoir séparer ces 2 scénarios », affirme Lee. “Cela élargira notre vision des types de particules créées généreusement dans l’univers primitif.”
Lisez l’article original sur Scitech Daily.
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Référence : “Evidence for X(3872) in Pb-Pb Collisions and Studies of its Prompt Production at vsNN=5.02 TeV” par A. M. Sirunyan et al. (Collaboration CMS), 22 décembre 2021, Lettres d’examen physique. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.032001
