Alors que les physiciens débattent à ce sujet depuis près de quarante ans, une nouvelle analysis de données realized par la collaboration NNPDF réveille que le proton possesde bel et bien une autre particule élémentaire appelé quark charm. La nature intrinsèque de ce quark pourrait avoir des implications importantes dans la recherche d’une nouvelle physique.
Toute la matière qui nous entoure est constituente d’atomes, qui eux-mêmes comportent des particules subatomiciques : des protons et des neutrons compocent le noyau, autour duquel gravitent des électrons. According to the standard model of the physics of particles, the proton is a composite particle: experimental experiments show that it is made up of at least three particles (two quarks up et un quark down), linked by par des gluons. La théorie quantique prédit cependant que le proton peut contenir plusieurs autres quark-antiquark pairs, y compris des quarks charm — qui sont plus massifs que le proton lui-même.
Les théoriciens pensent que ces quarks charm sont “intrinsèques” au proton, ce qui signifie qu’ils font partie du proton sur de longues échelles de temps et qu’ils ne sont pas le fruit d’interactions avec une particule extérieure. Aucune expérience n’a toutefois réussi à prover l’existence de ce quark charm intrinsic pour le moment. Grâce à l’analyse d’enormes quantités de données de collisions via des techniques d’apprentissage automatique, la collaboration NNPDF apporte enfin la preuve tant espérée.
Les données de plus de 500,000 collisions analysées
La collaboration NNPDF (pour neural network parton distribution function) effectue des recherches dans le domaine de la physique des hautes énergies. Its objective is to determine the precise structure of the proton (or the distribution of its constituents, quarks and gluons) using artificial intelligence methods. This knowledge is a crucial element of the Grand Hadron Collider (LHC) research program at CERN.
Concretely, the group used an automatic learning model to construct different hypothetical structures of protons, with different flavors of quarks; rappelons au passage que ces saveurs sont au nombre de six : up, down, top, bottom, strange etc charm. They then compared these different structures of protons to the results obtained from more than 500,000 real collisions, mises en oeuvre dans des accélérateurs de particules au cours des ten dernières années.
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Fonctions de distribution de partons du quark charm intrinsèque et comparaison avec les modèles. © NNPDF CollaborationIls ont ainsi découvert qu’une infime partie (0.5%) de la quantité de mouvement d’un proton est attribuable à un quark charm. Ce dernier est beaucoup plus lourd que les quarks up etc down (quelque mille fois plus lourd qu’un quark up !). This discovery is due in particulier to an LHCb (Large Hadron Collider beauty) experiment conducted last year on the boson Z, which revealed the presence of quarks charm dans les protons D’après ses calculus, l’équipe estime que dans le proton — dont la masse est légrément inférieure à 1 GeV — des quarks charm et leur antiparticule, ayant une masse d’environ 1.5 GeV chacun, apparence parfois spontanement.
Un niveau de confiance encore trop faible
Ainsi, aussi incroyable que cela puisse paraître, le proton peut être composé d’une particule plus massive que lui-même! « Cela va à l’encontre de tout bon sens. C’est comme si vous achetiez un paquet de sel d’un kilo, et qu’il en ressortait deux kilos de sable. But en mécanique quantique, une telle chose est tout à fait possible », explains Juan Rojo, physicist theoric at l’Université libre d’Amsterdam et author principal de l’article décrivant la découverte.
Les chercheurs affirment par ailleurs que si le proton ne possédait pas de paire de quarks charm-anticharm, il n’y aurait que 0.3% de chances d’obtenir les valeurs observées expérimentalement. This gives their results a confidence level of 3 sigmas. « C’est ce que nous appelons un indice sérieux en physique des particules », underlines Rojo. A level of 5 sigmas is however necessary for a result to be considered as truly significant. D’autres recherches shall therefore be carried out to pass the status of “prove” and the status of “discovery”.
Dans les accélérateurs de particules, le mouvement des protons en collision forritt une telle quantité d’énergie que des quarks lourds et leur antiparticule peuint parfois se formar à partir de cette énergie — ces quarks “extrinsèques” ne sont pas fundamental pour l’identité du proton. En revanche, il s’agit ici de quarks qui apparante naturellement, de temps à autre, dans un proton non perturbé, donc à basse énergie.
Le phénomène est rare, mais peut s’avérer d’une grande importance pour les expériences manées au LHC. « Dans les expériences du CERN, nous créons des collisions entre protons et recherchons des anomalies subtiles qui potrouint indicaire de nouvelle particules ou forces. Cela n’est possible que si l’on comprend parfaitement leur nature », concluded the physician.