Les découvertes pourraient redéfinir les types de particules qui étaient abondantes dans l’univers primitif. —

Dans le chaos avant le refroidissement, une fraction de ces quarks et gluons sont entrés en collision au hasard pour former des particules “X” à vie courte, ainsi nommées pour leurs structures mystérieuses et inconnues. Aujourd’hui, les particules X sont extrêmement rares, bien que les physiciens aient émis l’hypothèse qu’elles pourraient être créées dans des accélérateurs de particules par coalescence de quarks, où des collisions à haute énergie peuvent générer des éclairs similaires de plasma quark-gluon.

Aujourd’hui, des physiciens du Laboratoire de science nucléaire du MIT et d’ailleurs ont trouvé des preuves de particules X dans le plasma quark-gluon produit dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, basée près de Genève, en Suisse.

L’équipe a utilisé des techniques d’apprentissage automatique pour passer au crible plus de 13 milliards de collisions d’ions lourds, chacune produisant des dizaines de milliers de particules chargées. Au milieu de cette soupe de particules ultradense et à haute énergie, les chercheurs ont pu déceler environ 100 particules X, d’un type connu sous le nom de X (3872), du nom de la masse estimée de la particule.

Les résultats, publiés dans Lettres d’examen physique, c’est la première fois que des chercheurs détectent des particules X dans un plasma quark-gluon – un environnement qui, espèrent-ils, éclairera la structure encore inconnue des particules.

“Ce n’est que le début de l’histoire”, déclare l’auteur principal Yen-Jie Lee, professeur agrégé de physique en développement de carrière de 1958 au MIT. “Nous avons montré que nous pouvions trouver un signal. Dans les prochaines années, nous voulons utiliser le plasma quark-gluon pour sonder la structure interne de la particule X, ce qui pourrait changer notre vision du type de matériau que l’univers devrait produire.”

Les co-auteurs de l’étude sont membres de la collaboration CMS, une équipe internationale de scientifiques qui exploite et collecte les données du Compact Muon Solenoid, l’un des détecteurs de particules du LHC.

Particules dans le plasma

Les éléments de base de la matière sont le neutron et le proton, chacun étant composé de trois quarks étroitement liés.

“Pendant des années, nous avons pensé que pour une raison quelconque, la nature avait choisi de produire des particules constituées uniquement de deux ou trois quarks”, explique Lee.

Ce n’est que récemment que les physiciens ont commencé à voir des signes de “tétraquarks” exotiques – des particules constituées d’une combinaison rare de quatre quarks. Les scientifiques soupçonnent que X (3872) est soit un tétraquark compact, soit un tout nouveau type de molécule constitué non pas d’atomes mais de deux mésons faiblement liés – des particules subatomiques elles-mêmes constituées de deux quarks.

X (3872) a été découvert pour la première fois en 2003 par l’expérience Belle, un collisionneur de particules au Japon qui écrase des électrons et des positrons à haute énergie. Dans cet environnement, cependant, les particules rares se sont désintégrées trop rapidement pour que les scientifiques puissent examiner leur structure en détail. On a émis l’hypothèse que X (3872) et d’autres particules exotiques pourraient être mieux illuminées dans le plasma quark-gluon.

“Théoriquement parlant, il y a tellement de quarks et de gluons dans le plasma que la production de particules X devrait être améliorée”, déclare Lee. “Mais les gens pensaient qu’il serait trop difficile de les rechercher car il y a tellement d’autres particules produites dans cette soupe de quarks.”

“Vraiment un signe”

Dans leur nouvelle étude, Lee et ses collègues ont recherché des signes de particules X dans le plasma quark-gluon généré par les collisions d’ions lourds dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN. Ils ont basé leur analyse sur l’ensemble de données du LHC de 2018, qui comprenait plus de 13 milliards de collisions d’ions plomb, chacune ayant libéré des quarks et des gluons qui se sont dispersés et ont fusionné pour former plus d’un quadrillion de particules à courte durée de vie avant de se refroidir et de se désintégrer.

“Après la formation et le refroidissement du plasma quark-gluon, il y a tellement de particules produites que le bruit de fond est écrasant”, déclare Lee. “Nous avons donc dû abattre cet arrière-plan pour que nous puissions éventuellement voir les particules X dans nos données.”

Pour ce faire, l’équipe a utilisé un algorithme d’apprentissage automatique qu’elle a formé pour identifier les modèles de désintégration caractéristiques des particules X. Immédiatement après la formation des particules dans le plasma quark-gluon, elles se décomposent rapidement en particules “filles” qui se dispersent. Pour les particules X, ce modèle de désintégration, ou distribution angulaire, est distinct de toutes les autres particules.

Les chercheurs, dirigés par le post-doctorant du MIT Jing Wang, ont identifié des variables clés qui décrivent la forme du schéma de désintégration des particules X. Ils ont formé un algorithme d’apprentissage automatique pour reconnaître ces variables, puis ont alimenté l’algorithme avec les données réelles des expériences de collision du LHC. L’algorithme a pu passer au crible l’ensemble de données extrêmement dense et bruyant pour sélectionner les variables clés qui résultaient probablement de la décomposition des particules X.

“Nous avons réussi à réduire le bruit de fond par ordre de grandeur pour voir le signal”, explique Wang.

Les chercheurs ont zoomé sur les signaux et observé un pic à une masse spécifique, indiquant la présence de particules X (3872), environ 100 en tout.

“Il est presque impensable que nous puissions démêler ces 100 particules de cet énorme ensemble de données”, déclare Lee, qui, avec Wang, a effectué plusieurs vérifications pour vérifier leur observation.

“Chaque nuit, je me demandais, est-ce vraiment un signal ou pas ?” se souvient Wang. « Et au final, les données ont dit oui !

Au cours des deux prochaines années, les chercheurs prévoient de recueillir beaucoup plus de données, ce qui devrait aider à élucider la structure de la particule X. Si la particule est un tétraquark étroitement lié, elle devrait se désintégrer plus lentement que s’il s’agissait d’une molécule faiblement liée. Maintenant que l’équipe a montré que les particules X peuvent être détectées dans le plasma quark-gluon, ils prévoient de sonder cette particule avec un plasma quark-gluon plus en détail, afin de déterminer la structure de la particule X.

“Actuellement, nos données sont cohérentes avec les deux car nous n’avons pas encore suffisamment de statistiques. Dans les prochaines années, nous prendrons beaucoup plus de données afin de pouvoir séparer ces deux scénarios”, déclare Lee. “Cela élargira notre vision des types de particules qui ont été produites en abondance dans l’univers primitif.”

Cette recherche a été financée, en partie, par le Département américain de l’énergie.