Dans les premiers millionièmes de seconde après le Big Bang, l'univers était un plasma bouillonnant à une température de mille milliards de degrés composé de quarks et de gluons - des particules élémentaires qui fusionnent brièvement en d'innombrables combinaisons avant de se refroidir et de prendre des configurations plus stables pour produire des neutrons. et les protons de la matière ordinaire.
Dans le chaos de pré-refroidissement, certains de ces quarks et gluons sont entrés en collision au hasard pour former des particules "X" de courte durée, ainsi nommées en raison de leur structure mystérieuse et inconnue. Les particules X devraient être extrêmement rares, bien que les physiciens supposent qu'elles pourraient être créées dans des accélérateurs de particules à partir de fusions de quarks, où des collisions à haute énergie peuvent générer des salves similaires de plasma quark-gluon.
Les physiciens ont maintenant trouvé des preuves de la présence de particules X dans le plasma quark-gluon produit au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, située près de Genève, en Suisse.
L'équipe de scientifiques a utilisé des techniques d'apprentissage automatique pour tester plus de 13 milliards de collisions d'ions lourds, chacune produisant des dizaines de milliers de particules chargées. Parmi cette soupe super dense de particules à haute énergie, les chercheurs ont pu isoler environ 100 particules de type X, connues sous le nom de X (3872), du nom de la masse supposée de la particule.
Les résultats, publiés dans Physical Review Letters, notent que les chercheurs ont détecté pour la première fois des particules X dans des plasmas quark-gluon, un milieu qui, espèrent-ils, fera la lumière sur la structure encore inconnue de la particule.
"Ce n'est que le début de l'histoire", déclare l'auteur principal Yen-Jie Lee, professeur de physique au MIT. « Nous avons montré que nous pouvions trouver le signal. Dans les prochaines années, nous voulons utiliser le plasma quark-gluon pour étudier la structure interne de la particule X, ce qui pourrait changer notre compréhension du type de matériau que l'univers aurait dû 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.
Les éléments de base de la matière sont le neutron et le proton, chacun composé de trois quarks étroitement liés.
"Pendant des années, nous avons pensé que pour une raison quelconque, la nature avait décidé de produire des particules qui n'étaient que deux ou trois quarks", explique Yen-Jee Lee.
Ce n'est que récemment que les physiciens ont commencé à remarquer des signes de "tétraquarks" exotiques - des particules composées d'une combinaison rare de quatre quarks. Les scientifiques soupçonnent que X (3872) est soit un tétraquark compact, soit un type de molécule entièrement nouveau 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 dans le cadre de l'expérience Belle, un collisionneur au Japon qui fait entrer en collision des électrons et des positrons de haute énergie. Cependant, dans cet environnement, les particules rares se sont désintégrées trop rapidement pour que les scientifiques puissent étudier leur structure en détail.
Il a été suggéré que X(3872) et d'autres particules exotiques peuvent être mieux illuminées dans un plasma quark-gluon.
Dans leur nouvelle étude, les physiciens ont recherché des signes de particules X dans le plasma quark-gluon généré par des collisions d'ions lourds au Large Hadron Collider. Ils ont basé leur analyse sur un ensemble de données du LHC de 2018 qui comprenait plus de 13 milliards de collisions d'ions plomb, chacune libérant des quarks et des gluons qui se sont dispersés et ont fusionné pour former plus d'un quadrillion de particules à vie courte avant de se refroidir et de se désintégrer.
"Après la formation et le refroidissement du plasma quark-gluon, tant de particules se sont formées que le bruit de fond est devenu écrasant", expliquent les scientifiques. "Nous avons donc dû réduire cet arrière-plan afin que nous puissions éventuellement voir les particules X dans nos données."
Pour ce faire, l'équipe de chercheurs a utilisé un algorithme d'apprentissage automatique, qu'ils ont appris à mettre en évidence les modèles de désintégration caractéristiques des particules X. Immédiatement après la formation de particules dans le plasma quark-gluon, elles se désintègrent rapidement en particules "filles", qui s'envolent. Pour les particules X, ce modèle de désintégration ou distribution angulaire est différent de toutes les autres particules.
Les chercheurs 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 au LHC. L'algorithme a pu passer au crible un ensemble de données extrêmement dense et bruyant pour sélectionner des variables clés qui étaient probablement le résultat de la désintégration des particules X.
En conséquence, les physiciens ont réussi à réduire le bruit de fond de plusieurs ordres de grandeur afin de voir un signal indiquant la présence de particules X (3872) - il n'y en avait qu'environ 100.
"Il est presque impensable que nous puissions isoler ces 100 particules d'un ensemble de données aussi énorme", déclarent les chercheurs.
Au cours des deux prochaines années, les scientifiques prévoient de collecter beaucoup plus de données qui devraient aider à comprendre 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 de physiciens a montré que les particules X peuvent être détectées dans un plasma quark-gluon, ils envisagent d'étudier cette particule plus en détail à l'aide d'un plasma quark-gluon pour déterminer la structure de la particule X.
« Actuellement, nos données sont cohérentes avec les deux scénarios car nous n'avons pas encore assez de statistiques. Au cours des prochaines années, nous collecterons beaucoup plus de données afin de pouvoir séparer ces deux scénarios », explique Yen-Jee Lee. "Cela élargira notre compréhension des types de particules qui ont été produites en abondance dans l'univers primitif."
L'étude a été publiée dans Physical Review Letters.
2022-02-06 19:02:35
Auteur: Vitalii Babkin