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L’effet difficile à observer confirme l’exis

image : Une cascade de particules et de gluons initiée par un quark charme en décélération. Plus la cascade est développée, plus les énergies des particules secondaires sont faibles et plus l’angle d’ouverture des cônes morts évité par les gluons ultérieurs est grand.
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Crédit : Source : CERN

Un phénomène qui prouve directement l’existence d’une masse de quarks a été observé pour la première fois dans des collisions extrêmement énergétiques de noyaux de plomb. Une équipe de physiciens travaillant sur le détecteur ALICE du Large Hadron Collider peut se vanter de cette réalisation spectaculaire : l’observation de l’effet de cône mort.

Les objets qui composent notre vie physique quotidienne peuvent avoir de nombreuses propriétés différentes. Parmi ceux-ci, un rôle fondamental est joué par la masse. Bien qu’elle soit si fondamentale, la masse a une origine étonnamment complexe. Sa principale source est les interactions complexes liant des triplets de quarks à l’intérieur des protons et des neutrons. En physique moderne, on suppose que les masses des quarks eux-mêmes, provenant de leurs interactions avec le champ de Higgs (ses manifestations sont les fameux bosons de Higgs), ne contribuent que pour quelques pour cent à la masse d’un proton ou d’un neutron. Cependant, cela n’a été qu’une hypothèse. Bien que les masses de quarks individuels aient été déterminées à partir de mesures pendant de nombreuses années, seules des méthodes indirectes ont été utilisées. Aujourd’hui, grâce aux efforts des scientifiques et ingénieurs travaillant à Genève au LHC de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), il a enfin été possible d’observer un phénomène qui prouve directement l’existence de la masse d’un des quarks lourds .

« Lorsque des noyaux de plomb entrent en collision à l’accélérateur de particules LHC, la densité d’énergie peut devenir si importante que les protons et les neutrons se désintègrent et forment momentanément un plasma quark-gluon. Les quarks à l’intérieur se déplacent alors dans un puissant champ d’interactions fortes et commencent à perdre de l’énergie en émettant des gluons. Cependant, ils le font d’une manière assez particulière, que notre équipe a été la première à réussir à observer », commence à expliquer le professeur Marek Kowalski de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie. Le professeur Kowalski est l’un des membres d’une grande collaboration internationale effectuant des mesures à l’aide du détecteur ALICE.

Les gluons sont des particules qui véhiculent de fortes interactions entre les quarks. Leur rôle est donc similaire à celui des photons, qui sont responsables des interactions électromagnétiques entre, par exemple, les électrons. En électrodynamique, il existe un phénomène concernant les électrons qui décélèrent dans un champ électromagnétique : ils perdent de l’énergie en émettant des photons et plus l’énergie de l’électron est élevée, plus souvent les photons volent dans une direction de plus en plus cohérente avec sa direction de mouvement. Cet effet est à la base des lasers à électrons libres d’aujourd’hui – des dispositifs uniques et puissants capables de produire des impulsions ultra-courtes de rayons X.

« Les électrons décélérant dans un champ magnétique aiment émettre des photons « vers l’avant », dans un cône anguleux. Plus leur énergie d’origine est élevée, plus le cône est étroit. Les quarks ont une prédilection tout à fait opposée. Lorsqu’ils perdent de l’énergie dans un champ d’interactions fortes, ils émettent des gluons, mais plus l’énergie est faible et plus la masse du quark est importante, moins il y a de gluons qui volent “vers l’avant” », explique le Pr Kowalski et précise : « Il découle de la théorie selon laquelle il devrait y avoir un certain cône angulaire autour de la direction du mouvement des quarks dans lequel les gluons n’apparaissent pas. Ce cône – plus il est divergent, plus l’énergie du quark est faible et plus sa masse est élevée – s’appelle le cône mort.

Les théoriciens avaient prédit le phénomène du cône mort il y a plus de 30 ans. Malheureusement, son existence expérimentale n’a jusqu’à présent été remarquée qu’indirectement. La nature du phénomène et le processus d’enregistrement sont extrêmement difficiles à observer directement. Un quark décélérant émet des gluons, qui eux-mêmes peuvent émettre d’autres gluons sous différents angles ou se transformer en particules secondaires. Ces particules ont des énergies de plus en plus petites, de sorte que les gluons qu’elles émettent éviteront les cônes morts de plus en plus gros. Pour ne rien arranger, les détecteurs individuels ne peuvent enregistrer cette cascade complexe que dans son état final, à différentes distances du point de collision, et donc à des instants différents. Pour observer l’effet de cône mort, des millions de cascades produites par des quarks charmés ont dû être reconstruites à partir de données fragmentaires. L’analyse, réalisée à l’aide d’outils statistiques sophistiqués, comprenait des données recueillies au cours des trois années d’exploitation du LHC.

La confirmation expérimentale de l’existence du phénomène du cône mort est une réalisation d’une importance physique considérable. En effet, le monde des quarks et des gluons est régi par des interactions fortes décrites par une théorie appelée chromodynamique quantique, qui prédit que l’effet de cône mort ne peut se produire que lorsqu’un quark émettant des gluons a une masse non nulle. Le présent résultat, publié dans la prestigieuse revue Nature, est donc la première confirmation expérimentale directe de l’existence de masses de quarks.

« Dans la gigantesque quantité de données recueillies au détecteur ALICE lors de la collision des noyaux de plomb et des protons, nous avons retracé un phénomène dont nous savons qu’il ne peut se produire dans la nature que lorsque les quarks ont des masses non nulles. Les mesures actuelles ne nous permettent pas d’estimer la magnitude de la masse des quarks charmés que nous avons observés, ni ne nous disent quoi que ce soit sur les masses des quarks d’autres types. Nous avons donc un succès spectaculaire, mais ce n’est en fait que le prélude à une longue lignée de recherches », souligne le Pr Kowalski.

La première observation directe de l’effet de cône mort concernait uniquement les gluons émis par les quarks charmés (c). Les scientifiques ont maintenant l’intention de rechercher des cônes morts dans les processus impliquant des quarks de masses plus importantes, en particulier les quarks de beauté (b). Ce sera un défi de taille car plus la masse du quark est élevée, moins il est produit fréquemment dans les collisions, et donc plus il sera difficile de collecter un nombre de cas garantissant une fiabilité suffisante des analyses statistiques.

La recherche rapportée est d’une importance fondamentale pour la physique moderne. En effet, le Modèle Standard est l’outil de base actuellement utilisé pour décrire les phénomènes impliquant des particules élémentaires. Les masses de quarks sont ici les constantes clés, responsables de la correspondance entre la description théorique et la réalité physique. Il n’est donc pas surprenant que les observations de cônes morts, laissant espérer des mesures directes des masses des quarks, intéressent autant les physiciens.

L’Institut de physique nucléaire Henryk Niewodniczański (IFJ PAN) est actuellement l’un des plus grands instituts de recherche de l’Académie polonaise des sciences. Un large éventail de recherches menées à l’IFJ PAN couvre des études fondamentales et appliquées, de la physique des particules et de l’astrophysique, en passant par la physique des hadrons, la physique nucléaire des hautes, moyennes et basses énergies, la physique de la matière condensée (y compris l’ingénierie des matériaux), jusqu’à divers applications de la physique nucléaire dans la recherche interdisciplinaire, couvrant la physique médicale, la dosimétrie, la radiologie et la biologie environnementale, la protection de l’environnement et d’autres disciplines connexes. La production annuelle moyenne de publications d’IFJ PAN comprend plus de 600 articles scientifiques dans des revues internationales à fort impact. Chaque année, l’Institut accueille une vingtaine de conférences scientifiques internationales et nationales. L’une des installations les plus importantes de l’Institut est le Cyclotron Center Bronowice (CCB), qui est une infrastructure unique en Europe centrale, servant de centre clinique et de recherche dans le domaine de la physique médicale et nucléaire. En outre, IFJ PAN gère quatre laboratoires de recherche et de mesure accrédités. IFJ PAN est membre du consortium de recherche Marian Smoluchowski Kraków: “Matter-Energy-Future”, qui dans les années 2012-2017 a bénéficié du statut de Leading National Research Center (KNOW) en physique. En 2017, la Commission européenne a décerné à l’Institut le prix HR Excellence in Research. L’Institut détient la catégorie A + (la plus haute catégorie scientifique en Pologne) dans le domaine des sciences et de l’ingénierie.

CONTACTS:

Pr Marek Kowalski

Institut de physique nucléaire, Académie polonaise des sciences

tél. : +48 12 6628074

courriel : marek.kowalski@cern.ch, marek.kowalski@ifj.edu.pl

PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES :

“Observation directe de l’effet de cône mort en chromodynamique quantique”

Collaboration ALICE

Nature 605, 440–446 (2022)

DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-022-04572-w

LIENS:

http://www.ifj.edu.pl/

Le site Web de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences.

http://press.ifj.edu.pl/

Communiqués de presse de l’Institut de physique nucléaire, Académie polonaise des sciences.

IMAGES:

IFJ220609b_fot01s.jpg

RH : http://press.ifj.edu.pl/news/2022/06/09/IFJ220609b_fot01.jpg

Une cascade de particules et de gluons initiée par un quark charme en décélération. Plus la cascade est développée, plus les énergies des particules secondaires sont faibles et plus l’angle d’ouverture des cônes morts évité par les gluons ultérieurs est grand. (Source : CERN)


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