"Trois quarks pour Muster Mark!", A écrit James Joyce dans sa fable labyrinthique,Finnegan’s Wake. Vous avez peut-être déjà entendu cette citation - la phrase courte et absurde qui a finalement donné le nom de «quark» aux blocs de construction les plus fondamentaux de l'Univers (encore inégalés). Les physiciens d’aujourd’hui pensent qu’ils comprennent les bases de la combinaison des quarks; trois se rejoignent pour former des baryons (des particules de tous les jours comme le proton et le neutron), tandis que deux - un quark et un antiquark - se collent pour former des variétés plus exotiques et moins stables appelées mésons. Les rares partenariats à quatre quarks sont appelés tétraquarks. Et cinq quarks liés dans une danse délicate? Naturellement, ce serait un pentaquark. Et le pentaquark, jusqu'à récemment un simple produit de la physique, a maintenant été détecté au LHC!
Alors, quel est le problème? Loin d'être un mot amusant à dire cinq fois plus rapide, le pentaquark pourrait débloquer de nouvelles informations vitales sur la force nucléaire puissante. Ces révélations pourraient finalement changer la façon dont nous pensons à notre ami superbement dense, l'étoile à neutrons - et, en fait, la nature de la matière familière elle-même.
Les physiciens connaissent six types de quarks, classés par poids. Les plus légers des six sont les quarks de haut en bas, qui constituent les baryons de tous les jours les plus familiers (deux hauts et un bas dans le proton, et deux bas et un haut dans les neutrons). Les prochains plus lourds sont le charme et les quarks étranges, suivis des quarks du haut et du bas. Et pourquoi s'arrêter là? De plus, chacun des six quarks possède un anti-particule, ou antiquark correspondant.
Un attribut important des quarks et de leurs homologues anti-particules est quelque chose appelé «couleur». Bien sûr, les quarks n'ont pas de couleur de la même manière que vous pourriez appeler une pomme «rouge» ou l'océan «bleu»; cette propriété est plutôt une façon métaphorique de communiquer l'une des lois essentielles de la physique subatomique - que les particules contenant des quarks (appelées hadrons) portent toujours une charge de couleur neutre.
Par exemple, les trois composants d'un proton doivent comprendre un quark rouge, un quark vert et un quark bleu. Ces trois «couleurs» s'ajoutent à une particule neutre de la même manière que la lumière rouge, verte et bleue se combinent pour créer une lueur blanche. Des lois similaires sont en place pour le quark et l'antiquark qui composent un méson: leurs couleurs respectives doivent être exactement opposées. Un quark rouge ne se combinera qu'avec un antiquark anti-rouge (ou cyan), et ainsi de suite.
Le pentaquark, lui aussi, doit avoir une charge de couleur neutre. Imaginez un proton et un méson (en particulier, un type appelé méson J / psi) liés ensemble - un quark rouge, bleu et vert dans un coin, et une paire quark-antiquark de couleur neutre dans l'autre - pour un grand total de quatre quarks et un antiquark, dont toutes les couleurs s'annulent parfaitement.
Les physiciens ne sont pas sûrs si le pentaquark est créé par ce type d'agencement ségrégué ou si les cinq quarks sont liés directement ensemble; de toute façon, comme tous les hadrons, le pentaquark est contrôlé par ce titan de la dynamique fondamentale, la force nucléaire puissante.
La force nucléaire forte, comme son nom l'indique, est la force indiciblement robuste qui colle les composants de chaque noyau atomique: les protons et les neutrons et, plus important encore, leurs propres quarks constitutifs. La force puissante est si tenace que des «quarks libres» n'ont jamais été observés; ils sont tous confinés beaucoup trop étroitement dans leurs baryons parents.
Mais il y a un endroit dans l'Univers où les quarks peuvent exister en eux-mêmes, dans une sorte d'état méta-nucléaire: dans un type extraordinairement dense d'étoile à neutrons. Dans une étoile à neutrons typique, la pression gravitationnelle est si énorme que les protons et les électrons cessent de l'être. Leurs énergies et leurs charges se fondent ensemble, ne laissant rien d'autre qu'une masse de neutrons bien ajustée.
Les physiciens ont émis l'hypothèse qu'à des densités extrêmes, dans les étoiles les plus compactes, les neutrons adjacents dans le noyau peuvent même se désintégrer en un fouillis de composants.
L'étoile à neutrons… deviendrait une étoile de quark.
Les scientifiques pensent que la compréhension de la physique du pentaquark peut éclairer le fonctionnement de la force nucléaire puissante dans des conditions aussi extrêmes - non seulement dans des étoiles à neutrons trop denses, mais peut-être même dans les premières fractions de seconde après le Big Bang. Une analyse plus approfondie devrait également aider les physiciens à affiner leur compréhension des façons dont les quarks peuvent et ne peuvent pas se combiner.
Les données qui ont donné lieu à cette découverte - un résultat énorme de 9 sigma! - est sorti de la première manche du LHC (2010-2013). Le supercollider fonctionnant maintenant au double de sa capacité énergétique d'origine, les physiciens ne devraient avoir aucun problème à percer encore plus loin les mystères du pentaquark.
Une préimpression de la découverte du pentaquark, qui a été soumise à la revue Physical Review Letters, est disponible ici.
