Tétraquarks et pentaquarks

Pour la Science 471 – Janvier 2017

Le monde des particules subatomiques s'est révélé foisonnant. Aux électrons, protons et neutrons s'ajoutèrent au milieu du siècle dernier moult particules instables et éphémères.

Les quarks, proposés en 1964, organisèrent ce petit monde : les hadrons organisèrent la famille des particules sensibles à l'interaction forte, ils sont composés soit de 3 quarks, le proton et le neutron, soit d'un quark et d'un antiquark. Ils donnèrent naissance à une théorie fondamentale de l'interaction forte, la chromodynamique quantique. Peuvent-ils former plus que des trios et des trio ? La théorie le prédit mais ce n'est qu'à partir de 2003 que de possibles tétraquarks apparurent.

La mise en place du LH. Au Cern, permit la mise en évidence en 2015 puis 2016 de tétraquarks et de pentaquarks. Il ne s'agit pas d'augmenter le nombre de particules mais de confirmer la théorie de l'interaction forte où les calculs sont difficiles en permettant des pistes pour les approfondir.

Des quarks aux pentaquarks 

Georg Wolschin

La structure de ces particules confirme les hypothèses concernant leur existence. Les mesures de leurs propriétés dans le cadre de l'expérience LHCb permettent d'améliorer la compréhension du comportement de la matière aux échelles les plus infimes. À l'échelle la plus fondamentale, la matière, hormis l’électron et les particules apparentées, est composée de quarks. Ceux-ci s'associent par trois pour former le proton, le neutron – composants du noyau atomique – et les particules regroupées sous l'appellation de ''baryons''. Les ''mésons'' sont eux constitués d'un quark et d'un antiquark.

En 1964 deux théoriciens américains conçurent, indépendamment, le modèle des quarks en découvrant qu'un trio de particules formait le proton et le neutron . Murray Gell-Mann de Caltech les nomma ''quarks'' en s'inspirant du roman Finnegans Wake de James Joyce. L'autre chercheur, George Zweig, proposait ''as'' mais c'est le premier terme qui fut retenu.

Ces quarks étaient différents, les premiers étaient le quark up, le quark down et le quark strange. Trois variantes vinrent plus tard ; les quarks charm, bottom et top, chacun défini par son initiale.

Ces quarks étaient caractérisés par des ''nombres quantiques'' tels qu'un spin, ainsi qu'une ''couleur'' pouvant prendre trois valeurs ''rouge'', ''vert'' et ''bleu'', ces termes n'ayant aucun lien avec la longueur d'onde de la lumière.

Il existe des antiquarks de masse identique mais ayant une charge électrique opposée et une ''anticouleur''.

Ces particules s'attirent par une force fondamentale, l'interaction forte réalisée par un échange de particules électriquement neutres, mais porteuses d'une charge de couleur, appelées gluons, de masse nulle, comme les photons médiateurs de l'interaction électromagnétique. Les spécificités de l'interaction forte sont décrites par une théorie quantique des champs, la chromodynamique quantique. Celle-ci fut proposée en 1973 par David Politzer, Frank Wilczek et David Gross et stipule que les quarks n'existent isolément que dans des conditions extrêmes de températures et de pression qui régnèrent dix microsecondes après le Big Bang. La matière était alors un ''plasma quarks-gluons''.

Hors ces circonstances ils s'associent pour former des structures de telle façon que la ''somme'' des couleurs de leurs quarks produise une charge globale de couleur neutre impliquant que l'on peut avoir des baryons composés de 3 quarks et des mésons, d'une paire.

Dans les années 1960 le concept de quark n'allait pas de soi, Murray Gell-Mann obtint le Nobel de physique en 1969 pour ses ''contributions et découvertes concernant la classification des particules élémentaires et leurs interactions'', mais pas uniquement pour l'idée des quarks, raison probable expliquant que Zweig ne fut pas honoré la même année. Gell-Mann voyait les quarks comme des artifices de calcul. Zweig au contraire pensait qu'ils avaient une réalité physique.

De longues recherches furent nécessaires avant de démontrer la réalité des quarks et leurs associations en duos ou trios. Zweig et Gell-Mann prédirent dès 1964 la possibilité de systèmes quadruple ou quintuple. La preuve de l'existence de ces derniers est désormais apportée avec la présence pour tous de quarks c. ceux-ci, plus lourds, tendraient à stabiliser ces systèmes multiquarks.

L'étude des multiquarks est loin d'être achevée, bien des groupes peuvent encore être observés. L'enjeu est une meilleure compréhension de la chromodynamique quantique et de l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales à l’œuvre dans la nature.