Des physiciens ont découvert des particules X rares dans le plasma quark-gluon produit par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Ces découvertes pourraient redéfinir les types de particules qui étaient abondantes dans l’univers primitif.
Ces découvertes pourraient redéfinir les types de particules qui étaient abondantes dans l’univers primitif.
Dans les premiers millionièmes de seconde qui ont suivi le <span aria-describedby="tt" class="glossaryLink" data-cmtooltip="
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“> de quarks et de gluons, des particules élémentaires qui se sont brièvement collées les unes aux autres dans d’innombrables combinaisons avant de refroidir et de se stabiliser dans des configurations plus stables pour former les neutrons et les protons de la matière ordinaire.
Dans le chaos qui a précédé le refroidissement, une fraction de ces quarks et gluons est entrée en collision de manière aléatoire pour former des particules X de courte durée, ainsi nommées en raison de leur structure mystérieuse et inconnue. Aujourd’hui, les particules X sont extrêmement rares, mais les physiciens ont émis l’hypothèse qu’elles pouvaient être créées dans les accélérateurs de particules par coalescence des quarks, où les collisions à haute énergie peuvent générer des éclairs similaires de plasma quark-gluon.
Aujourd’hui, des physiciens du Laboratoire des sciences nucléaires du MIT <span aria-describedby="tt" class="glossaryLink" data-cmtooltip="
“> ’s et d’ailleurs ont trouvé des preuves de la présence de particules X dans le plasma quark-gluon produit dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN <span aria-describedby="tt" class="glossaryLink" data-cmtooltip="
“> , l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, basée près de Genève, en Suisse.
L’équipe a utilisé des techniques d’apprentissage automatique pour passer en revue plus de 13 milliards de collisions d’ions lourds, chacune d’entre elles produisant des dizaines de milliers de particules chargées. Au milieu de cette soupe de particules ultra-denses et de haute énergie, les chercheurs ont pu identifier une centaine de particules X, d’un type connu sous le nom de X (3872), du nom de la masse estimée de la particule.
Les résultats, publiés cette semaine dans la revue Physical Review Letters , marquent la première fois que des chercheurs ont détecté des particules X dans du plasma quark-gluon, un environnement qui, espèrent-ils, éclairera la structure encore inconnue des particules.
“Ce n’est que le début de l’histoire,”déclare l’auteur principal Yen-Jie Lee, professeur associé de physique au MIT, issu de la promotion 1958. “Nous avons montré que nous pouvions trouver un signal. Dans les prochaines années, nous voulons utiliser le plasma quark-gluon pour sonder la structure interne de la particule X, ce qui pourrait changer notre vision du type de matière que l’univers devrait produire.
Les coauteurs de l’étude sont membres de la collaboration CMS, une équipe internationale de scientifiques qui exploite et collecte les données du solénoïde compact à muons, l’un des détecteurs de particules du LHC.
Particules dans le plasma
Les éléments de base de la matière sont le neutron et le proton, chacun d’entre eux étant constitué de trois quarks étroitement liés. Pendant des années, nous avons pensé que, pour une raison quelconque, la nature avait choisi de produire des particules composées uniquement de deux ou trois quarks, explique Lee.
Ce n’est que récemment que les physiciens ont commencé à voir des signes de “tétraquarks” exotiques, c’est-à-dire des particules constituées d’une combinaison rare de quatre quarks. Les scientifiques soupçonnent que X (3872) est soit un tétraquark compact, soit une molécule d’un genre entièrement nouveau composée non pas d’atomes, mais de deux mésons faiblement liés, c’est-à-dire de particules subatomiques qui sont elles-mêmes composées de deux quarks.
X (3872) a été découvert pour la première fois en 2003 par l’expérience Belle, un collisionneur de particules situé au Japon qui brise ensemble des électrons et des positrons à haute énergie. Dans cet environnement, cependant, les particules rares se sont désintégrées trop rapidement pour que les scientifiques puissent examiner leur structure en détail. On a émis l’hypothèse que le X (3872) et d’autres particules exotiques pourraient être mieux éclairés dans le plasma quark-gluon.
“Théoriquement, il y a tellement de quarks et de gluons dans le plasma que la production de particules X devrait être améliorée,&rdquo ; dit Lee. “Mais les gens pensaient qu’il serait trop difficile de les rechercher parce qu’il y a tellement d’autres particules produites dans cette soupe de quarks. Dans leur nouvelle étude, Lee et ses collègues ont recherché des signes de particules X dans le plasma quark-gluon généré par les collisions d’ions lourds dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN. Ils ont basé leur analyse sur l’ensemble des données 2018 du LHC, qui ont permis d’identifier les particules X.comprenait plus de 13 milliards de collisions plomb-ion, chacune d’entre elles libérant des quarks et des gluons qui se sont dispersés et ont fusionné pour former plus d’un quadrillion de particules à courte durée de vie avant de refroidir et de se désintégrer.
“Après la formation et le refroidissement du plasma quark-gluon, il y a tellement de particules produites que le bruit de fond est écrasant,&rdquo ; dit Lee. “Nous avons donc dû réduire ce bruit de fond pour pouvoir éventuellement voir les particules X dans nos données.&rdquo ;
Pour ce faire, l’équipe a utilisé un algorithme d’apprentissage automatique qu’elle a entraîné à repérer les schémas de désintégration caractéristiques des particules X. Immédiatement après leur formation dans le plasma quark-gluon, les particules se décomposent rapidement en particules filles qui se dispersent. Pour les particules X, ce modèle de désintégration, ou distribution angulaire, est distinct de toutes les autres particules.
Les chercheurs, dirigés par Jing Wang, post-doctorant au MIT, ont identifié les variables clés qui décrivent la forme du modèle de désintégration des particules X. Ils ont formé un algorithme d’apprentissage automatique à l’aide d’un outil de recherche. Ils ont entraîné un algorithme d’apprentissage automatique à reconnaître ces variables, puis ont transmis à l’algorithme des données réelles provenant des expériences de collision du LHC. L’algorithme a été capable de passer au crible l’ensemble de données extrêmement dense et bruyant afin d’identifier les variables clés qui étaient probablement le résultat de la désintégration des particules X.
“Nous avons réussi à réduire le bruit de fond de plusieurs ordres de grandeur pour voir le signal,&rdquo ; dit Wang.
Les chercheurs ont zoomé sur les signaux et ont observé un pic à une masse spécifique, indiquant la présence de particules X (3872), une centaine en tout.
“Il est presque impensable que nous puissions extraire ces 100 particules de cet énorme ensemble de données,&rdquo ; dit Lee, qui, avec Wang, a effectué de multiples vérifications pour vérifier leur observation.
“Chaque nuit, je me demandais s’il s’agissait vraiment d’un signal ou non ? &rdquo ; Wang se souvient. “Et à la fin, les données disaient oui!&rdquo ;
Au cours de la prochaine année ou des deux prochaines années, les chercheurs prévoient de recueillir beaucoup plus de données, ce qui devrait aider à élucider la structure de la particule X&rsquo ;. Si la particule est un tétraquark étroitement lié, elle devrait se désintégrer plus lentement que si elle était une molécule faiblement liée. Maintenant que l’équipe a démontré que les particules X peuvent être détectées dans le plasma quark-gluon, elle prévoit de sonder cette particule avec le plasma quark-gluon de manière plus détaillée, afin de déterminer la structure de la particule X.
“Actuellement, nos données sont compatibles avec les deux car nous ne disposons pas encore de statistiques suffisantes. Au cours des prochaines années, nous allons recueillir beaucoup plus de données afin de pouvoir séparer ces deux scénarios, explique Lee. Cela élargira notre vision des types de particules produites en abondance dans l’univers primitif. &rdquo ;
Référence : “Evidence for X(3872) in Pb-Pb Collisions and Studies of its Prompt Production at vsNN=5.02 TeV&rdquo ; by A. M. Sirunyan et al. (CMS Collaboration), 22 December 2021, Physical Review Letters .
DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.032001
Cette recherche a été soutenue, en partie, par le Département de l’énergie des États-Unis
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