Le pentaquark, nouveau venu dans la matière

La découverte des physiciens japonais et américains accroît encore le mystère des quarks, particules élémentaires de l'univers

Après trente années de recherche, les physiciens semblent avoir enfin mis la main sur une bien étrange particule composée de cinq quarks, un «pentaquark». Si l'interprétation des résultats expérimentaux accumulés au Japon et aux Etats-Unis se confirme, c'est la première fois que l'on observe cette nouvelle forme exotique de la matière. D'habitude, les quarks ne se trouvent que par groupes de deux ou trois à l'intérieur des particules qu'ils composent. Cette découverte inattendue ouvre de nouvelles portes pour la compréhension du monde subatomique, dans lequel les quarks ont décidément un comportement bien singulier.

Les quarks sont les particules fondamentales qui composent le coeur de la matière ordinaire dont nous sommes composés, c'est-à-dire les protons et les neutrons, au sein des noyaux d'atomes. Dans le cas des protons et des neutrons, les quarks s'agglutinent par groupes de trois. Quand un quark s'associe à un antiquark, cela donne une particule appelée méson. Mais dans aucun cas le quark ne se trouve tout seul, et jamais avant aujourd'hui on avait vu plus de trois quarks dans une seule particule.

L'objet détecté par l'équipe du physicien Takashi Nakano, de l'université d'Osaka, grâce au synchrotron SPring 8 est constitué de quatre quarks associés à un antiquark. L'annonce de ce premier résultat lors d'une conférence internationale de physique des particules et du noyau fut accueillie avec scepticisme par la communauté des spécialistes. «Nous avons eu des réactions assez négatives, raconte Takashi Nakano. La plupart des gens pensaient que c'était impossible.» Au cours des années 70, quelques annonces de découverte de particules exotiques, comme le baryonium, furent ensuite infirmées et n'étaient en fait que des faux signaux perdus dans le bruit de fond.

Mais, quelques mois après l'annonce japonaise, des expériences similaires au Jefferson Laboratory, aux Etats-Unis, et au laboratoire Itep de Moscou viennent de confirmer les résultats de l'expérience japonaise. Takashi Nakano et son équipe publient d'ailleurs leurs preuves expérimentales dans la très réputée revue Physical Review Letters (1). «D'après les données publiées et celles qui vont être publiées sous peu, le signal expérimental ne semble pas être remis en doute», explique Michel Garçon, du service de physique nucléaire du CEA à Saclay. «En revanche, la précision statistique est trop faible pour avoir des certitudes sur l'interprétation que l'on en fait. Les physiciens n'ont pour le moment qu'une vingtaine d'événements, et il en faudrait un bon millier pour avoir des renseignements plus précieux sur la nature de l'objet observé. Une expérience permettant d'atteindre cette précision est en préparation au Jefferson Laboratory.»

Pour les spécialistes, il n'est pas encore certain que les cinq quarks sont bien collés les uns aux autres dans une même particule. Il pourrait s'agir d'une sorte de molécule composée de deux particules, collées entre elles mais pas mélangées en quelque sorte. La difficulté du travail des physiciens tient au fait qu'ils sont incapables de «voir» le pentaquark lui-même. Ils détectent en fait sa signature indirecte. L'expérience japonaise consiste à projeter un puissant faisceau de rayons gamma sur une cible d'atomes de carbone. Lorsqu'un photon de rayon gamma percute un neutron ou un proton du noyau de carbone, il peut se produire un pentaquark. Mais cet état est instable et, au bout d'un temps extrêmement court, moins d'un centième de milliardième de milliardième de seconde (une fraction de seconde avec plus de 20 zéros au dénominateur), le pentaquark se dissocie en un méson K+ et un neutron qui viennent ensuite frapper un détecteur placé derrière la cible. Les physiciens savent alors qu'il s'est passé quelque chose entre la cible et le détecteur car ils mesurent un nombre moins important que prévu d'une certaine particule, le méson K-.

Quoi qu'il en soit, cet infime déficit aurait très bien pu passer inaperçu car l'expérience initiale cherchait à définir un autre processus de la physique du noyau, qui n'a rien à voir avec le pentaquark. C'est en fait le théoricien russe Dimitri Diakonov qui mis la puce à l'oreille du Japonais Nakano, lors de discussions informelles en 2000, à l'heure du déjeuner, à l'Institut nordique de physique théorique de Copenhague, au Danemark. Diakonov et ses collègues Polyakov et Petrov avaient prédit de manière théorique l'existence d'une forme de pentaquark dont la masse se situerait autour de 1,5 GeV (1,5 Giga électronvolts, soit 1,5 milliard d'électronvolts). Le physicien russe suggéra à son confrère japonais d'aller regarder dans ce domaine de basse énergie à peine supérieure à celle du proton, plutôt délaissé lors de précédentes recherches. Ce que fit Nakano avec succès!

D'après Stavros Katsanevas, directeur adjoint de l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS, «cette découverte ouvre la voie pour de nouvelles pistes pour affiner notre compréhension encore partielle des quarks».

Car le secret des quarks s'avère très difficile à percer. Comme l'explique Franz Wilczek au Los Angeles Times, pionnier de l'étude des quarks au MIT, «les quarks peuvent bouger à l'intérieur de leurs sacs subatomiques, mais ils ne peuvent jamais en sortir. Dans les gros noyaux d'atomes, on trouve des quantités de protons et de neutrons collés les uns aux autres. Mais pourquoi ne partagent-ils pas leurs quarks entre eux ?» A ce jour, aucun quark «libre» n'a jamais été vu. On sait seulement que, dans certains cas, comme dans la fraction de seconde qui a suivi le big bang par exemple, le confinement peut être brisé, et les quarks peuvent alors se retrouver dans un état étrange, une soupe de quarks, appelé plasma de quark-gluon par les physiciens. En étudiant un nouveau système à cinq quarks, très différents des particules habituelles à deux et trois quarks, les physiciens se donnent de nouveaux moyens de comprendre les secrets des quarks, clés de la structure de la matière.