Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Conseil européen pour la recherche nucléaire (CERN) a révélé l'existence d'une nouvelle particule élémentaire: un baryon plus lourd que le proton, composé de deux quarks «charmés». Une découverte rare relayée par le magazine New Scientist, obtenue grâce aux améliorations récentes de l'expérience LHCb, dédiée à l'étude des particules contenant des quarks de type charmé ou «beau».

Pour bien comprendre l'enjeu d'une telle découverte, revenons aux fondamentaux: les protons et les neutrons appartiennent à la famille des baryons, des particules constituées de trois quarks. Le proton, par exemple, assemble deux quarks «up» et un «down». Mais il existe d'autres combinaisons, plus exotiques, faisant intervenir des quarks plus lourds. Ces structures instables ont une durée de vie extrêmement courte: elles se forment, se désintègrent et disparaissent en un clin d'œil.

En 2017, l'équipe du CERN avait déjà observé un baryon nommé «Xicc++», formé de deux quarks charmés et d'un quark «up». Sa durée de vie n'avait excédé qu'un millième de milliardième de seconde. Cette fois, les chercheurs ont détecté sa «sœur»: la particule Xicc+, presque identique mais contenant un quark «down» à la place du quark «up». Un détail qui change tout: elle est encore plus lourde et six fois plus éphémère.

Une énigme de plus de vingt ans

Ce résultat n'aurait sans doute pas été possible sans la mise à niveau récente du détecteur LHCb. «En un an de nouvelles données, nous avons observé une particule que dix ans d'expérimentation n'avaient pas permis de trouver», explique Chris Parkes, physicien à l'Université de Manchester. La découverte atteint la signifiance statistique requise pour confirmer qu'il ne s'agit pas d'un simple hasard.

L'observation du Xicc+ n'est pas qu'un simple trophée supplémentaire dans la collection du CERN: elle va aider à comprendre comment la force nucléaire forte, l'une des quatre interactions fondamentales de la physique, lie ensemble des quarks massifs au sein d'un même baryon. Elle permet aussi de trancher un vieux mystère: en 2002, une équipe américaine croyait déjà avoir aperçu ce type de particule, mais avec une masse bien inférieure à celle qui vient d'être mesurée. Vingt ans plus tard, la nouvelle mesure ferme définitivement le dossier: le baryon charmé est bien plus lourd que prévu.

Pour autant, certains physiciens ne cachent pas une certaine frustration. «C'est une mesure fascinante, mais dont on ne sait pas encore quoi tirer», estime Juan Rojo, de l'Université libre d'Amsterdam. Aucune loi connue de la chromodynamique quantique n'interdisait son existence, mais les modèles actuels sont incapables de prédire précisément la masse et le comportement des particules à quarks lourds.

En clair, les données ont pris une longueur d'avance sur la théorie. L'espoir des chercheurs, désormais, est que ce résultat vienne nourrir les modèles qui décrivent la manière dont les quarks s'assemblent. Car chaque combinaison possible –qu'elle soit stable ou fugitive– permet d'en savoir un peu plus sur l'origine même de la matière.