Les physiciens de la collaboration CMS (Compact Muon Solenoid) au Grand collisionneur de hadrons du CERN ont détecté une centaine de particules d’un type connu sous le nom de X(3872) dans le plasma quark-gluon, un environnement qui, espèrent-ils, permettra d’éclairer la structure encore inconnue des particules.
Sirunyan et al. ont trouvé des preuves de la présence de particules X(3872) dans le plasma quark-gluon produit dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN. Crédit image : Pete Linforth.
“Les éléments de base de la matière sont le neutron et le proton, chacun d’entre eux étant constitué de trois quarks étroitement liés”, a déclaré le Dr Yen-Jie Lee du MIT.
“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.”
“Ce n’est que récemment que nous avons commencé à voir des signes de tétraquarks exotiques – des particules faites d’une combinaison rare de quatre quarks.”
“Nous soupçonnons que X(3872) est soit un tétraquark compact, soit une molécule d’un genre entièrement nouveau faite non pas d’atomes mais de deux mésons faiblement liés – des particules subatomiques qui sont elles-mêmes faites 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 de haute énergie.
Dans cet environnement, cependant, les particules rares se sont désintégrées trop rapidement pour que les physiciens 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 parlant, il y a tellement de quarks et de gluons dans le plasma que la production de particules X devrait être améliorée”, a déclaré le Dr Lee.
“Mais les gens pensaient qu’il serait trop difficile de les rechercher car il y a tellement d’autres particules produites dans cette soupe de quarks”.
Dans l’étude, le Dr 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 (LHC).
“Ce n’est que le début de l’histoire. 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”, a déclaré le Dr Lee.
Les chercheurs de CMS ont basé leur analyse sur l’ensemble des données 2018 du LHC, qui comprenait plus de 13 milliards de collisions d’ions plomb, chacune d’entre elles ayant libéré 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”, a déclaré le Dr Lee.
“Nous avons donc dû battre ce fond pour pouvoir éventuellement voir les particules X dans nos données”.
Pour ce faire, l’équipe a utilisé un algorithme d’apprentissage automatique qu’ils ont entraîné à repérer les modèles 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 schéma de désintégration, ou distribution angulaire, est distinct de celui de toutes les autres particules.
Les scientifiques ont identifié les variables clés qui décrivent la forme du modèle de désintégration de la particule X.
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”, a déclaré le Dr Jing Wang, chercheur postdoctoral au MIT.
L’équipe CMS a zoomé sur les signaux et a observé un pic à une masse spécifique, indiquant la présence de particules X(3872), environ 100 en tout.
“Il est presque impensable que nous puissions extraire ces 100 particules de cet énorme ensemble de données”, a déclaré le Dr Lee.
“Chaque nuit, je me demandais si c’était vraiment un signal ou non. Et à la fin, les données disaient oui !” a ajouté le Dr Wang.
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans le journal Physical Review Letters.
