Comment l'expérience LHCb découvre de nouvelles particules subatomiques

Un univers de particules cachées

La plupart des gens connaissent le proton et le neutron comme les éléments constitutifs des noyaux atomiques. Beaucoup moins savent que des dizaines de cousins exotiques – des particules qui n'existent qu'une fraction de seconde avant de se désintégrer – peuvent être amenés à exister à l'intérieur d'un accélérateur de particules. Depuis que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN a commencé ses opérations, ses expériences ont répertorié plus de 60 hadrons auparavant inconnus. La machine responsable de la plupart de ces découvertes est un détecteur remarquablement spécialisé appelé LHCb – l'expérience « beauté » du Grand collisionneur de hadrons.

Les quarks : les véritables éléments constitutifs

Pour comprendre ce que LHCb traque, vous devez connaître les quarks – les particules fondamentales qui se combinent pour former des hadrons. Le modèle standard de la physique des particules décrit six « saveurs » de quarks : up, down, strange, charm, bottom et top. La matière ordinaire est presque entièrement constituée de quarks up et down. Les saveurs plus lourdes – charm, strange, bottom, top – n'apparaissent que dans des conditions extrêmes, comme celles à l'intérieur d'un collisionneur de particules.

Les baryons sont des hadrons constitués d'exactement trois quarks. Le proton (deux quarks up plus un quark down) et le neutron (deux quarks down plus un quark up) sont les baryons les plus stables. Mais la théorie prédit – et l'expérience confirme – que de nombreuses autres combinaisons de trois quarks peuvent exister, au moins brièvement. Un baryon charm contient un ou plusieurs quarks charm aux côtés de partenaires plus légers. Un baryon doublement charm, comme son nom l'indique, contient deux quarks charm – une configuration si rare que les physiciens ont débattu pendant deux décennies de la possibilité de l'observer.

Comment fonctionne le détecteur LHCb

Contrairement aux détecteurs cylindriques ATLAS et CMS qui entourent le point de collision dans toutes les directions, LHCb est un spectromètre orienté vers l'avant. Il capture les particules qui volent dans un cône étroit le long de la ligne de faisceau plutôt que de se disperser latéralement. Cette géométrie est idéale pour attraper les produits des désintégrations des quarks beauté et charm, qui ont tendance à voyager dans la direction avant.

Le détecteur est constitué de plusieurs couches distinctes, chacune ayant une tâche spécifique :

• VELO (Vertex Locator) – un détecteur à micro-bandes de silicium placé à quelques millimètres du point de collision. Il reconstruit précisément où les particules à courte durée de vie sont nées et où elles se sont désintégrées, donnant aux physiciens une « empreinte digitale » spatiale de l'événement.
• Détecteurs RICH – Détecteurs Cherenkov à imagerie annulaire qui identifient les types de particules en mesurant le cône de lumière qu'elles émettent lorsqu'elles voyagent à travers un milieu plus vite que la lumière ne voyage à travers ce milieu.
• Calorimètres – absorbent les électrons, les photons et les hadrons pour mesurer leur énergie.
• Stations à muons – détectent les muons, qui pénètrent dans les matériaux qui arrêtent la plupart des autres particules.

Ensemble, ces couches reconstruisent la trajectoire, l'identité et l'énergie de chaque particule détectable produite dans chaque collision proton-proton. Le LHC fournit environ 30 millions de collisions par seconde à l'intérieur de LHCb ; de puissants systèmes de déclenchement et des algorithmes filtrent le flux jusqu'à la minuscule fraction qui vaut la peine d'être enregistrée.

De la collision à la découverte

Une nouvelle particule n'est jamais repérée directement – elle se désintègre presque instantanément. Au lieu de cela, les physiciens recherchent ses produits de désintégration. Lorsqu'ils tracent la masse combinée de ces produits à travers des millions d'événements, une véritable nouvelle particule apparaît comme un pic net s'élevant au-dessus d'un fond lisse. La hauteur de ce pic, mesurée en unités appelées sigma (σ), quantifie la probabilité que le pic soit un hasard statistique.

En physique des particules, la barre pour revendiquer une découverte est fixée à cinq sigma – ce qui signifie que la probabilité de voir un tel pic par hasard est inférieure à une sur 3,5 millions. Certaines découvertes dépassent confortablement ce seuil : l'observation en 2026 par LHCb du baryon doublement charm Ξcc⁺ s'est enregistrée à sept sigma, ne laissant pratiquement aucun doute sur son existence.

Pourquoi les baryons doublement charm sont importants

Découvrir de nouvelles particules n'est pas seulement une collection de timbres. Chaque nouvel hadron est un test de résistance pour la chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui régit la force nucléaire forte liant les quarks ensemble. Les calculs QCD sont notoirement difficiles car la force forte devient plus forte à mesure que les quarks s'éloignent – l'opposé de l'électromagnétisme – ce qui rend les équations difficiles à résoudre exactement.

Les baryons doublement charm offrent une simplification rare. Parce que les quarks charm sont lourds et lents par rapport aux quarks légers, deux quarks charm assis près l'un de l'autre se comportent presque comme un noyau stationnaire tandis qu'un troisième quark plus léger les orbite – analogue à un électron orbitant un noyau d'hydrogène. Cette géométrie plus propre rend les prédictions QCD plus faciles à gérer et permet aux physiciens de tester si la théorie tient dans de nouvelles conditions.

Des mesures précises des masses, des durées de vie et des modes de désintégration de ces particules exotiques peuvent révéler si la QCD est complète ou s'il reste des lacunes – des lacunes qui pourraient laisser entrevoir une physique au-delà du modèle standard.

Un zoo de particules qui ne cesse de croître

Depuis que LHCb a commencé à prendre des données, il a découvert des pentaquarks (états à cinq quarks), des tétraquarks (états à quatre quarks) et une liste croissante de baryons charm et beauté. Le détecteur amélioré, mis en service en 2023 avec une résolution améliorée et un taux de collision plus élevé, devrait pousser cette liste plus loin. Chaque entrée dans le catalogue est un point de données contraignant les équations fondamentales qui décrivent la matière elle-même – des équations que les physiciens s'efforcent encore de résoudre complètement.