L’expérience ALICE au Grand collisionneur de hadrons a mesuré pour la première fois directement un phénomène connu sous le nom de « cône mort », permettant aux physiciens de mesurer directement la masse d’une particule fondamentale connue sous le nom de « quark de charme ».

De nombreuses particules qui composent l’univers visible qui nous entoure sont en fait des particules composites construites à partir de particules fondamentales moins massives appelées quarks. Les protons et les neutrons, par exemple, contiennent chacun trois quarks. Il existe six «saveurs» différentes d’un quark – haut, bas, haut, bas, bizarre et charmant – chacune avec des masses, des spins et d’autres propriétés quantiques différents. Différentes combinaisons de quarks forment également différentes particules. Les quarks sont maintenus ensemble dans ces particules complexes par une force puissante qui est transmise à travers une particule sans masse appelée gluon. Collectivement, les quarks et les gluons sont connus sous le nom de « partons ».

Au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN près de Genève, en Suisse, les protons sont accélérés par de puissants champs magnétiques à travers un tunnel de 16,8 miles (27 km) jusqu’à des énergies allant jusqu’à 6,8 TeV avant d’entrer en collision les uns avec les autres. Les collisions produisent une cascade d’autres particules qui elles-mêmes émettent ou se désintègrent en encore plus de particules, et ainsi de suite dans une cascade qui peut éclairer des aspects de la physique fondamentale.

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En particulier, les quarks et les gluons sont produits et émis dans une cascade appelée flux de particules, où les quarks émettent des gluons, et les gluons eux-mêmes peuvent émettre d’autres gluons de moindre énergie.

Les scientifiques travaillant sur ALICE (abréviation de Large Ion Collider Experiment) ont analysé trois années de collisions proton-proton pour trouver des preuves du cône mort. Selon la théorie de la chromodynamique quantique, ou QCD, qui décrit le fonctionnement de la force forte, un cône mort est une région où les partons d’une certaine masse et énergie ne peuvent pas émettre de gluons.

« Il était très difficile d’observer directement le cône mort », a déclaré le porte-parole d’ALICE, Luciano Musa, dans un communiqué de presse.

Schéma des zones mortes autour d’un quark charmé chaque fois qu’il émet un gluon dans un flux de partons, ce qui empêche l’émission de plus de gluons pendant un certain temps. (Crédit image : CERN)

Une partie de la difficulté est que la zone morte peut être remplie d’autres particules subatomiques produites par des collisions proton-proton, tandis que suivre le mouvement d’un parton à travers une gerbe, car il change constamment de direction, est également difficile.

Pour résoudre ce problème, les scientifiques collaborant avec ALICE ont développé une méthode par laquelle ils ont pu rembobiner les enregistrements des flux de particules dans le temps, leur permettant de déterminer où et quand les sous-produits du flux ont été émis. En particulier, ils recherchaient des flux auxquels participe le quark charmé. En analysant ces gerbes, les scientifiques ont découvert une région dans la structure du rayonnement gluon émis pendant les gerbes de partons où l’émission de gluons était supprimée. C’est un cône mort.

Cette découverte est importante non seulement parce qu’elle confirme la prédiction de la QCD, mais aussi parce qu’elle permet désormais de mesurer directement la masse du quark charmé, qui selon la théorie et les mesures indirectes est de 1,275 +/- 25 MeV/c^2 . . Selon QCD, le cône mort est directement lié à la masse du parton, et les particules sans masse ne peuvent pas former un cône mort.

« Les masses des quarks sont des quantités fondamentales en physique des particules, mais elles ne peuvent pas être consultées ni mesurées directement dans les expériences car, à l’exception du quark top, les quarks sont piégés à l’intérieur des particules composées », a déclaré Andrea Dainese, coordinateur physique d’ALICE.

Par conséquent, la découverte du cône mort pourrait ouvrir la voie à une nouvelle ère de la physique des quarks.

Les résultats ont été publiés le 18 mai dans la revue Nature.

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