Un débat vieux de 40 ans sur les quarks charmés dans les protons pourrait avoir été réglé grâce à une nouvelle analyse par apprentissage automatique des données du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN et d'autres installations. Cependant, tous les physiciens des particules ne sont pas d’accord avec cette évaluation.
Pendant des décennies, les physiciens se sont demandé si les protons contenaient ce que l’on appelle des quarks charmes intrinsèques. La chromodynamique quantique (QCD), la théorie de la force nucléaire forte, nous apprend que les protons sont constitués de deux quarks up et d'un quark down liés ensemble par des porteurs de force appelés gluons. Mais il prédit également que les protons, comme les neutrons ou tout autre hadron, contiennent une multitude d’autres paires quark-antiquark.
On sait qu’un grand nombre de ces particules supplémentaires sont générées lorsque les gluons sont accélérés lors de collisions à haute énergie entre protons, tout comme la théorie électromagnétique nous dit que des photons sont émis lorsque des particules chargées accélèrent. Mais ce qui est moins clair est la mesure dans laquelle il pourrait y avoir des quarks supplémentaires au sein des protons et des neutrons, appelés quarks intrinsèques, qui contribuent aux fonctions d'onde quantiques des hadrons.
Plus lourd que les protons
Les scientifiques s’accordent sur l’existence de quarks étranges intrinsèques, étant donné que les quarks étranges ont une masse bien inférieure à celle des protons. Cependant, des incertitudes subsistent quant à l'existence et à la contribution possible des quarks charmés intrinsèques. Ces quarks sont plus lourds que les protons, mais seulement dans une petite mesure – ce qui laisse ouverte la possibilité qu'ils fournissent une composante assez petite mais néanmoins observable à la masse d'un proton.
Alors que certains chercheurs ont conclu que les quarks charmés ne peuvent fournir que 0.5 % de l'impulsion d'un proton, d'autres ont plutôt constaté qu'une contribution allant jusqu'à 2 % est possible.
Dans le dernier ouvrage, le Collaboration NNPDF – composé de physiciens de l'Université de Milan, de l'Université libre d'Amsterdam et de l'Université d'Édimbourg – affirme avoir trouvé des « preuves sans ambiguïté » de l'existence réelle des quarks charmés intrinsèques. Pour ce faire, il s'est appuyé sur de nombreuses données de collision du LHC et d'ailleurs qu'il utilisait auparavant pour élaborer ce que l'on appelle les fonctions de distribution de partons (PDF), qu'ils appellent NNPDF4.0.
Particules ponctuelles
Parton est un terme générique pour décrire les particules ponctuelles au sein d'un hadron, proposé par Richard Feynman dans les années 1960 pour analyser les collisions de particules et équivaut désormais à un quark ou un gluon. Étant donné que l'impulsion, le spin et d'autres propriétés des partons sont déterminés par la force forte dans des conditions de couplage très important, leurs valeurs ne peuvent pas être calculées en utilisant les approximations possibles avec la QCD perturbative. Cependant, en étudiant la cinématique des collisions de hadrons, il est possible d'établir des distributions de probabilité montrant les chances qu'un parton ait une certaine fraction de l'impulsion d'un hadron à une échelle particulière.
La nouvelle recherche consistait à calculer la PDF d'un quark charme en considérant l'impulsion que lui et les trois quarks les plus légers – up, down et étrange – contribuent à la collision d'un proton dans le processus de diffusion. Ils ont ensuite utilisé la QCD perturbatrice – approchant les interactions fortes en utilisant les deux ou trois premiers termes dans une expansion de l’expression de couplage fort – pour convertir cette PDF en une PDF composée de composants radiatifs provenant uniquement des trois quarks les plus légers. Comme ils le soulignent, dépourvu de la composante radiative du quark charme, ce nouveau PDF ne comprendrait que le charme intrinsèque.
En utilisant des réseaux de neurones pour faire correspondre au mieux les données expérimentales à la forme et à l'ampleur des PDF, ils concluent que les quarks charmés intrinsèques existent bel et bien. Bien qu'ils établissent que le charme intrinsèque contribue pour moins de 1 % à l'impulsion du proton, son PDF associé ressemble fortement à celui attendu de la théorie – un pic à une fraction d'impulsion d'environ 0.4 (les petites probabilités impliquées signifient que l'intégration donne un petit total) tout en diminuant. rapidement en petites fractions. Il correspond également étroitement aux PDF élaborés à partir d'autres données de collision, en particulier les résultats récents impliquant la production de bosons Z dans l'expérience LHCb et les données beaucoup plus anciennes de la Collaboration européenne sur les muons (EMC) du CERN.
NNPDF calcule qu'avec les seules données de son analyse 4.0, la signification statistique du charme intrinsèque étant réel est d'environ 2.5σ, tandis que la signification s'élève à environ 3σ si les données LHCb et EMC sont également incluses. Une signification statistique de 5σ ou plus est généralement considérée comme une découverte en physique des particules.
"Nos résultats clôturent une question ouverte fondamentale dans la compréhension de la structure du nucléon qui a été vivement débattue par les physiciens des particules et nucléaires au cours des 40 dernières années", écrit la collaboration dans un article paru dans Nature décrivant ses recherches.
Observations de neutrinos
Les chercheurs disent qu'ils attendent avec impatience de poursuivre les études sur le charme intrinsèque dans le cadre d'expériences telles que le LHCb du CERN et celles du collisionneur électron-ion (actuellement en construction au laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis). Les observations réalisées avec les télescopes à neutrinos sont également intéressantes car les particules contenant des quarks charmés peuvent se désintégrer pour générer des neutrinos dans l'atmosphère terrestre. Ces mesures peuvent aider à déterminer la forme et l’ampleur du charme intrinsèque, ainsi qu’à sonder les différences entre les quarks à charme intrinsèque et les antiquarks », selon un membre du groupe. Juan Rojo de l'Université Libre d'Amsterdam.
Certains neutrinos cosmiques ne sont peut-être pas cosmiques après tout
D'autres experts accueillent également favorablement des données supplémentaires mais ne sont pas d'accord sur l'importance des derniers travaux. Stanley Brodsky Le laboratoire national des accélérateurs du SLAC aux États-Unis affirme que le résultat fournit une preuve « convaincante » du charme intrinsèque. Cependant, Ramona Vogt du Lawrence Livermore National Laboratory, également aux États-Unis, souligne que sa signification statistique est inférieure à celle nécessaire à la découverte en physique des particules. « Ce résultat est un pas en avant mais ce n'est pas le dernier mot », dit-elle.
Wally Melnitchouk au Thomas Jefferson National Accelerator Facility, toujours aux États-Unis, est plus critique. Loin d'être définitif, il considère les preuves du NNPDF comme dépendantes de la façon dont elles définissent le charme intrinsèque et des choix qu'elles font pour le calcul perturbateur, arguant que les définitions d'autres groupes qui n'ont pas trouvé de preuves sont également valables. Il soutient qu'un signal beaucoup plus convaincant serait l'observation d'une différence entre les PDF de charme et d'anti-charme dans le proton. « Une différence non nulle entre ces valeurs est beaucoup moins sensible aux choix de schémas théoriques et de définitions », dit-il.
