quark charmé

En physique nucléaire, une énigme demeurait : pourquoi, parmi les éléments plus légers que le bismuth, seuls le technétium (n°43) et le prométhium (n°61) ne possèdent-ils aucun isotope stable ? Tous leurs voisins du tableau périodique peuvent se vanter d'avoir au moins une variante à longue durée de vie, mais ces deux-là semblent échapper à la règle générale.

L'espace-temps n'est pas vide : il tremble. Après le Big Bang, l'Univers était rempli du bourdonnement des ondes gravitationnelles, semblable au grondement grave d'une cloche géante.

Une goutte de crème grasse dans un verre de lait. Si vous agitez, la graisse ne se répartit pas uniformément : elle forme des amas plus denses qui se déplacent différemment du reste du liquide. C'est à peu près ce que font les quarks à l'intérieur des mésons, ces particules minuscules qui ne vivent que des fractions de seconde.

Trois poids de forme étrange sont posés sur une table. Leur poids exact est inconnu, mais si on les place sur une balance à plateaux dans une certaine combinaison, l'aiguille indique toujours le même nombre magique.

La matière ordinaire est composée d'atomes, et les atomes sont composés de noyaux et d'électrons. Mais dans une étoile à neutrons, la gravité comprime la matière si fort que les électrons sont enfoncés dans les protons, et presque tout se transforme en un empilement dense de neutrons.

Dans le détecteur LHCb, où des protons entrent en collision, une trace inhabituelle a été trouvée parmi des milliards de désintégrations. La particule, nommée $$D_{s1}$$(2933)^+, apparaît un instant puis se désintègre aussitôt en d'autres particules.

Les particules lourdes que les physiciens appellent baryons ressemblent à de minuscules familles de trois quarks. Les baryons ordinaires sont les protons et les neutrons qui constituent tout ce qui nous entoure. Mais il existe aussi des cousins exotiques : au lieu de quarks légers, ils contiennent des quarks charmés ou beaux — lourds et éphémères.

Entre 2016 et 2018, au Grand collisionneur de hadrons du CERN, des protons entraient en collision avec une énergie de 13 téraélectronvolts — comme si deux petits pois étaient accélérés à des vitesses telles que leur impact engendre tout un essaim de nouvelles particules.

L'eau dans une bouilloire bout à cent degrés, mais si on la comprime fortement, elle se comporte différemment. De la même manière, les quarks et les gluons — les briques qui composent les protons et les neutrons — changent de propriétés sous l'effet d'un champ magnétique intense.

Lors de collisions de protons au Grand collisionneur de hadrons, les physiciens ont pour la première fois capturé une particule à deux quarks charmés. Elle s'appelle Ξcc+ (prononcé « ksi-ksi-plus ») et ressemble à une perle avec non pas un, mais deux noyaux lourds.

Lorsqu'un boson W (la particule médiatrice de l'interaction faible) se désintègre en un quark et un antiquark, à la vitesse vertigineuse du collisionneur, ces deux fragments volent presque dans la même direction.

En 2010, des physiciens du Grand collisionneur de hadrons ont pour la première fois produit un plasma de quarks et de gluons — un état de la matière dans lequel les quarks et les gluons sont libres, comme l'eau dans la vapeur, et non confinés à l'intérieur des protons et des neutrons.

Dans un anneau souterrain de 27 kilomètres de circonférence, des protons sont accélérés jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière puis projetés frontalement les uns contre les autres. Au point d'impact, des conditions comparables à celles qui régnaient dans le premier billionième de seconde après la naissance de l'Univers sont créées pendant un instant.

En 2017, au Grand collisionneur de hadrons, des protons sont entrés en collision à une énergie de 5,02 TeV.

Un cristal de la taille d'une moitié de boîte d'allumettes a été cultivé dans un four, où une zone fondue rampait lentement le long d'une tige, laissant derrière elle des couches parfaitement ordonnées.

Dans l'immense accélérateur de particules, où des protons lancés à une vitesse proche de celle de la lumière percutent une cible de néon, naissent des baryons charmés — des particules qui vivent moins d'un milliardième de seconde.

Au Grand collisionneur de hadrons, en accélérant des particules à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, on produit des quarks top — les briques les plus lourdes du modèle standard.

Au centre de la collision de deux noyaux de plomb naît un minuscule boule de feu — de la matière si chaude que les protons et les neutrons fondent, et que les quarks et les gluons flottent librement dans cette « soupe ». Cette soupe est appelée plasma de quarks et de gluons.

En 2018, le Grand collisionneur de hadrons a mené une collecte de données particulière : le détecteur CMS a capté des collisions de protons à une vitesse effrénée pour accumuler dix milliards de particules contenant un quark beauté.

Le quark top est la plus lourde des briques connues de la matière, mais la théorie prédit l'existence d'un jumeau discret, le quark T, qui pourrait être plusieurs fois plus massif. Pour le faire apparaître, les physiciens font entrer en collision des protons avec des muons, des cousins instables de l'électron.

On lance deux toupies en même temps, dans des directions opposées. Si l'une tourne vers la gauche, l'autre tourne toujours vers la droite, quelle que soit la distance qui les sépare. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'intrication quantique, sauf qu'au lieu de toupies, on a des quarks top, les particules les plus lourdes connues.