Pentaquark : pourquoi l'observation tant attendue de cette nouvelle catégorie de particules vient déchaîner l'intérêt des scientifiques

Le CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) a annoncé ce mardi la première observation d'une nouvelle catégorie de particules, le pentaquark, constitué comme son nom l'indique de 5 quarks  (4 quarks et d'1 antiquark). Les scientifiques ont pu révéler son existence  grâce au LHC (Grand collisionneur de hadrons), le plus grand accélérateur de particules du monde, situé près de Genève à la frontière franco-suisse. Inauguré le 21 octobre 2008, c'est le dispositif expérimental le plus performant du monde. Il permet aux physiciens de passer de la théorie à la pratique dans l'étude de l'atome et du subatomique.

En l'occurrence, c'est "en 1964 [que] le physicien américain Murray Gell-Mann a révolutionné la compréhension de la structure de la matière en postulant l’existence de particules connues sous le nom de quarks", raconte le site du Monde. Plus tard, en 1997, ce sont des physiciens russes de l'Institut de physique nucléaire de Saint-Pétersbourg  –  Maxim Polyakov, Dmitri Diakonov et Victor Petrov – qui ont mis en avant la possibilité des pentaquarks. Mais, selon le CERN, "aucune observation concluante de l’existence des pentaquarks n’avait été rapportée".  

"Il est arrivé plusieurs fois en effet que des physiciens prédisent l’existence de particules avant que celles-ci soient détectées. Ce fut déjà le cas pour les quarks prédits en 1964 et détectés en 1974, et tout récemment pour le boson de Higgs, prédit lui aussi en 1964 et détecté seulement en 2012. À chaque fois, les physiciens s’appuient sur une théorie en laquelle ils ont acquis une certaine confiance et dont la cohérence exige que ces particules existent.
Dans le cas des pentaquarks, la théorie sur laquelle se sont appuyés les physiciens s’appelle la chromodynamique quantique. Elle décrit la façon dont les quarks interagissent entre eux. En règle générale, ils se regroupent en paquets de 3 quarks et forment alors un « baryon », ou bien en paquets constitués d’1 quark et d’1 antiquark et forment alors un « méson ». Mais en 1997, des théoriciens ont annoncé que les équations de la chromodynamique quantique permettaient également l’existence de particules qui n’avaient jamais été vues, les pentaquarks : elles seraient constituées de 5 quarks, plus exactement de 4 quarks et d’1 antiquark, c’est-à-dire seraient comme le mariage d’un baryon et d’un méson", raconte Etienne Klein.

C'est l'accélérateur du CERN qui a permis d'apporter les éléments qui manquaient à la théorie. "Le LHC est la plus grande expérience de physique jamais réalisée. Il s’agit d’un collisionneur de particules de 27 kilomètres de circonférence qui permet de réaliser des collisions entre protons de très haute énergie", souligne Etienne Klein. Et d'ajouter : "Il faut bien avoir à l’esprit la prouesse technique d’un tel projet : deux faisceaux de dimensions infimes, parcourant en sens inverse un anneau de 27 kilomètres de circonférence à une vitesse quasiment égale à la vitesse de la lumière, se
percutent frontalement en des lieux parfaitement déterminés. Lors de ces collisions, presque toute l’énergie cinétique des particules incidentes est convertie en matière : elle se transforme en de nombreuses autres particules massives, à durées de vie généralement très courtes. Parmi elles, les physiciens ont pu établir la présence de pentaquarks analogues à ceux qui avaient été prédits par les théoriciens russes."

"Les scientifiques de LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) ont cherché des états pentaquark en examinant la désintégration d’un baryon appelé Lambda b en trois autres particules. L’étude du spectre des masses de ces particules a révélé que leur production faisait parfois intervenir des états intermédiaires", détaille Swiss Info.

Qu'est-ce que cette découverte va apporter à la communauté scientifique ? " L’étude de ses propriétés pourrait nous permettre de mieux comprendre comment est constituée la matière ordinaire, c’est-à-dire les protons et les neutrons dont nous sommes tous composés", explique Guy Wilkinson, physicien et porte-parole du LHCb. Pour Etienne Klein, "grâce à cette découverte, on pourra mieux appréhender l’interaction entre les protons et les neutrons qui constituent les noyaux des atomes, car eux aussi sont constitués de quarks".

"Un minimum de prudence s’impose tout de même. Une nouvelle particule contenant 5 quarks a bien été découverte mais, comme l’explique Liming Zhang, physicien à la collaboration LHCb et membre de l’université de Tsinghua, les quarks pourraient être liés étroitement ou alors ils pourraient être liés faiblement et former une sorte de molécule méson-baryon dans laquelle le méson et le baryon seraient sensibles à une force forte résiduelle semblable à celle qui lie les protons et les neutrons à l’intérieur des noyaux", précise futura-sciences.com.

Si la découverte du Pentaquark apparaît comme considérable aux yeux de la communauté scientifique, la quête de l'infiniement petit n'est-elle pas par définition infinie ? "Ce qui est certain, c’est que, pour être connues, les réponses aux grandes questions que se posent les physiciens des particules nécessitent des instruments gigantesques. Le monde impalpable de 'l’infiniment petit' exige en effet des moyens lourds et complexes. C’est le prix à payer pour espérer le prendre en filature. Le projet d’un accélérateur circulaire de 100 kilomètres de circonférence est déjà à l’étude, ainsi que celui d’un projet de collisionneur linéaire de haute énergie. Des choix devront être faits dans les prochaines décennies, qui dépendront entre autres choses des résultats scientifiques qui auront été obtenus durant les dix prochaines années grâce au LHC. Mais quel sera l’état d’esprit de nos sociétés vis-à-vis de ces très grands projets ? L’avenir le dira…", assure Etienne Klein.