La découverte d’une nouvelle particule charmante au CERN

This is the French adaptation of an older post on a recent discovery at CERN. The English version can be found here.

Cela faisait un bail que je n’avais pas écrit en français. Après discussion avec plusieurs membres de la communauté Steemit francophone, j’ai décidé de reprendre cette tâche et d’adapter en français (on va éviter la traduction mots à mots :p), de temps à autre, mes articles sur la physique des particules et l’astrophysique.

La nouvelle dont je vais parler aujourd’hui concerne la découverte, dans le cadre de l’expérience LHCb du LHC au CERN, d’une nouvelle particule. Cet événement a été annoncé le 6 juillet dernier.

La collaboration LHCb est parvenue à observer une nouvelle bestiole composée de deux quarks charmés (les c sur l’image) et d’un quark up (le u sur l’image).

Cette particule a un nom: le Ξ_cc⁺⁺, à prononcer ‘ksi - cé cé - plus plus’.

Même si le nom de la particule découverte semble un peu surprenant, le double ‘c’ est lié aux deux quarks charmés (c) et le double ‘+’ au fait que sa charge électrique est double et positive.

Pas de panique, je définirai tous ces concepts ci-dessous (notamment celui de quarks).

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L’EXPERIENCE LHCb EN QUELQUES MOTS

L’image ci-dessous illustre le détecteur LHCb lorsqu’il a été assemblé.

L’expérience LHCb a été conçue afin d’étudier un type bien spécifique de particules qui ont la propriété de rester très proches des faisceaux du LHC une fois produites.

Cette configuration demande des méthodes de détection particulières, et donc un détecteur particulier (qui est LHCb).

On peut voir ce détecteur comme un immense appareil contenant plusieurs sous-détecteurs qui sont alignés le long des faisceaux du LHC, tout comme le seraient des bouquins sur une étagère.

On peut légèrement deviner cela sur l’image, la ligne du faisceau étant horizontale et les premiers sous-détecteurs étant visibles à gauche (jaune orange) et à droite (bleu foncé).

Chaque sous-détecteur est dédié à l’observation de certaines propriétés bien distinctes de certaines particules. Une fois que toute les informations obtenues par tous ces sous-détecteurs sont réunies, les physiciens arrivent alors à reconstruire ce qu’il s’est passé dans une collision donnée.

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LES QUARKS ET LES PARTICULES FAITES DE QUARKS

Au début de cet article, j’ai brièvement parlé de quarks. Mais que sont-ils?

Partons tout d’abord de l’atome.

Un atome est fait d’un noyau atomique et d’électrons gravitant autour de ce dernier. Et le noyau atomique est lui-même fait de protons et de neutrons. J’espère que jusque là, tout le monde suit ;)

Nos protons et neutrons ne sont cependant pas des particules élémentaires. Ils sont constitués d’objets plus petits appelés quarks.

Deux types de quarks sont nécessaires pour obtenir un proton ou un neutron: le quark down (d) ou up (u).

Mais la nature est vicieuse. Pour nous ne savons quelle raison, tout est multiplié par trois. Nous avons ainsi six quarks en tout, qui sont les quarks up (u), down (d), étrange (s), charmé (c), beau (b) et top (t).

Passons à présent à autre chose. Dans le monde microscopique, nous avons quatre interactions fondamentales, dont l’interaction forte.

Son nom n’est pas anodin. Elle est en effet si forte qu’elle permet aux quarks de se lier les uns aux autres et de former des particules composites contenant plusieurs quarks.

Par exemple, un proton est un trio de quarks uud, tandis qu’un neutron est un trio de quarks udd, comme illustré sur la figure.

De la même façon, un xi-cécé-plus-plus (le petit dernier découvert le mois dernier) est un trio de quarks ucc.

Bien que la théorie prédisait l’existence du Ξ_cc⁺⁺ (utilisons son symbole ce coup-ci), cette particule n’avait jamais été observée depuis.

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MAIS COMMENT OBSERVER UN Ξ_cc⁺⁺?

Le Ξ_cc⁺⁺ est instable. C’est-à-dire qu’une fois produit, il va rapidement se désintégrer en d’autres particules, qui vont eux-mêmes se désintégrer en d’autres particules, et ainsi de suite.

Tout cela laisse des traces dans le détecteur. C’est ce qu’on appelle la signature de la particule. Les physiciens de l’expérience ont simplement traqué cette signature, et il suffit alors de comparer les observations aux prédictions de la théorie.

Pour cela, deux calculs sont nécessaires: l’un sans et l’autre avec un Ξ_cc⁺⁺.

Le premier calcul regarde comment la signature recherchée peut être rencontrée dans le cas où il n’y aurait pas de Ξ_cc⁺⁺ dans la nature. Le deuxième fait pareil, mais en prenant en compte les effets du Ξ_cc⁺⁺.

Ensuite, il suffit de comparer les données aux deux calculs et vérifier quelle est la bonne hypothèse.

Cela est illustré sur l’image.

En vert, ce qui devrait être vu sans le Ξ_cc⁺⁺.

En bleu, ce qui devrait être vu avec le Ξ_cc⁺⁺.

En noir, les données.

On a donc bien affaire à un Ξ_cc⁺⁺, et les physiciens de LHCb ont pu annoncer leur découverte.

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RESUME ET REFERENCES

Dans cet article, j’ai détaillé l’annonce récente de la découverte de la particule Ξ_cc⁺⁺ par la collaboration LHCb. Après avoir défini ce qu’était cette particule, j’ai expliqué comment elle avait été observée.

Il s’agit de la première confirmation expérimentale d’une prédiction théorique qui commençait à dater, et cette découverte permettra d’étudier la théorie de l’interaction forte plus en détails.

Pour plus d’informations (en anglais):

• La coupure de presse du CERN se trouve ici.
• L’article scientifique de LHCb est disponible en accès libre ici.

PS: n;’hésitez pas à me dire ce que vous pensez d’avoir de temps en temps un article en français de ma part sur les sujets qui me tiennent à coeur.