Renaissance du Charmé

Extrait d’un article CERN Press Release : Genève, août 2012 : les expériences utilisant des ions lourds au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN progressent dans leur compréhension de l’Univers primordial . Les collaborations ALICE ATLAS ert CMS ont effectué de nouvelles mesures du type de matière qui existait probablement aux premiers instants de l’Univers. Parmi les domaines d’étude importants figurent les « particules charmées » qui contiennent un quark ou un anti-quark charmé. Les quarks charmés, 100 fois plus lourds que les quarks up et les quarks down formant la matière ordinaire, sont nettement décélérés à leur passage à travers le pasma quarks-gluons. Les physiciens d’ALICE feront état d’observations indiquant que le flux dans le plasma est si fort qu’il entraîne avec lui les lourdes particules charmées. L’expérience a également observé des indices de l’existence d’un phénomène de « thermalisation », qui fait intervenir la recombinaison des quarks charmés avec des anti-quarks charmés pour former ce que l’on appelle le « charmonium ».

Pour la bonne compréhension de cette œuvre, voici un rappel des différents quarks ainsi que des couleurs avec lesquelles ils sont symbolisés :

quark u ou up représenté en petites billes jaunes sur fond rouge et en petites billes rouges sur fond jaune vert et bleu ; masse 2MeV, charge électrique +2/3.
quark d ou down représenté en petites billes vertes (vert clair, moyen ou foncé selon le fond) ; masse 5 MeV, charge électrique -1/3.
quark s ou strange représenté en boules bleu marine (quelques unes en bleu clair au bord de l’œuvre) ; masse 95 MeV, charge électrique -1/3.
quark c ou charmé représenté orange (orange clair pour le quark charmé et orange foncé pour l’antiquark surmonté d’une barre horizontale) ; masse 1,25 GeV, charge électrique +2/3.
quark b ou bottom : masse 4,2 GeV, charge électrique -1/3 ; non représenté sur cette œuvre.
Quark t ou top : masse 171 GeV, charge électrique +2/3 ; non représenté sur cette œuvre.
LES MESONS : ils sont constitués de deux quarks eux mêmes répartis en plusieurs familles : pion, kaon, D, J/psi…
WIKIPEDIA : les mésons sont des bosons sensibles à l’interaction forte, c’est-à-dire des hadrons possédant un spin entier. Tous les mésons actuellement connus sont composés d’une paire quark-antiquark -les quarks de valence- et d’une « mer » de paires quark-antiquark virtuelles et de gluons également virtuels. Les quarks de valence d’un méson peuvent exister comme superposition d’états de saveur : par exemple, le pion neutre ° n’est pas formé d’une paire up-antiup ou down-antidown mais d’une superposition des deux. Les mésons pseudoscalaires (de spin 0) possèdent une énergie au repos minimale, leurs quarks possédant un spin opposé, tandis que les mésons vecteurs (de spin 1) possèdent deux quarks ayant un spin parallèle.
Les Kaons : un kaon est une particule (notée K) de la famille des mésons caractérisée par un nombre quantique appelé étrangeté et noté S. Les mésons étant constitués d’un nombre pair de quarks et d’antiquarks, les kaons contiennent un quark s ou un antiquark s combiné avec un quark/antiquark parmi u ou d (ou anti u anti d).
les pions : pion+ pion- pion° : ils comprennent les quarks up et down (en rouge et vert)
Les kaons : notés K : K+ K- K° : ils comprennent les quarks up down et strange (en bleu marine) le K+ est constitué d’un quark up associé à un anti strange, le K- est constitué d’un quark anti up associé à un strange, le K° est constitué d’un quark down associé à un anti strange (ou d’un quark strange associé à un anti down ) résultant de la superposition d’états.
Les D : D+ D- D° : ils comprennent les quarks up, down, charmé ainsi que le quark strange pour le Ds.
Le J/psi noté sur l’oeuvre J/Y (lettre en forme de y barré) : il est constitué d’un quark charmé en orange et de son anti quark charmé en orange foncé surmonté d’une barre horizontale pour symboliser l’anti particule. Le J/psi fut découvert indépendamment par deux groupes de recherche au Laboratoire National de Brookhaven en 1974. Ritcher nomma la particule « psi » (en forme de Y barré) tandis que Ting lui assigna la lettre J, Ritcher et Ting reçurent le Prix Nobel de Physique en 1976 pour leur découverte.

Nous allons donc imaginer que nous « pénétrons » à l’intérieur d’un plasma de quarks-gluons et que nous découvrons les différents types de désintégrations.

Au centre de l’œuvre sur le fond rouge qui symbolise le plasma très chaud, les quarks sont déconfinés : les petites billes jaunes représentent les quarks u, les petites billes vertes les quarks down, les boules bleu marine les quarks strange, les deux quarks charmés de la particule J/psi ont disparu. Idem sur le fond orange, puis en allant vers le bord de l’œuvre à partir du fond jaune et vert, le plasma va en se refroidissant et la particule J/psi avec les deux quarks charmés commence à réapparaître.

J’ouvre le petit livre : July 1996 PARTICLE PHYSICS Booklet afin de découvrir quelques unes des innombrables désintégrations qui se produisent au sein d’un plasma et pour cela voyons tout d’abord comment un plasma de quarks gluons est créé. Au LHC, des ions lourds (des noyaux de plomb) sont accélérés à 99,999 % de la vitesse de la lumière, chacun véhiculant une énergie phénoménale proche de 300 billions d’électronvolots. Les collisions frontales de ces noyaux permettent de créer dans le laboratoire des gouttes de taille femtoscopique (un femtomètre = 10 puiss-15 mètre) d’un nouvel état de la matière nucléaire. A l’intérieur de ces gouttes, les particules telles que les protons et neutrons, et plus généralement les hadrons, n’existent plus. Leurs constituants fondamentaux, quarks et gluons, nagent dans un bain chauffé à plus d’un billion de degrés, soit dix mille fois la température au centre du soleil. Cette matière est dite « déconfinée » car la force véhiculée par les gluons, capable en temps normal de « coller » les quarks en édifices de hadrons, devient très affaiblie dans un milieu où règne une température si colossale. Pendant les premières microsecondes suivant le Big-Bang, l’Univers fut certainement dans cet état, aujourd’hui connu sous le nom de plasma de quark- gluon (PQG) .

Dossier : création et détection d’un plasma quark-gluon : http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/le-plasma-quark-gluon : Une fois créé, un plasma de quark-gluon s’étend très rapidement en se refroidissant tout aussi vite. La densité d’énergie au sein du plasma décroissant, l’intensité de l’interaction forte entre les quarks augmente en entraînant la recombinaison de ces derniers dans des états liés sous forme de hadrons, essentiellement des mésons. Les hadrons créés après hadronisation sont constitués des quarks qui étaient contenus dans le plasma. Les hautes énergies nécessaires à la création d’un plasma favorisent la matérialisation de quarks lourds comme les quarks « charmés » c et anti c, mais aussi les quarks strange s et anti s.

J’ouvre le Booklet 1996 page 43 à 59 concernant les mésons charmés :
page 50-51 : désintégrations en Kaons et Pions :

En partant en bas de l’œuvre à gauche et en remontant dans le sens des aiguilles d’une montre, apparaissent sur le fond bleu et vert entre les deux qurks charmés en boules orange les désintégrations suivantes :

Kaon+ Kaon- (le quark s est en bleu ciel sur fond sombre et en bleu marine sur fond plus clair)
Kaon+ Kaon- Pion+
Kaon + Pion+ Pion-
Kaon+ Kaon- Pion+
Kaon+ Pion-
Kaon + Pion+ Pion-
Pion+ Kaon°
En remontant à gauche sur le fond vert :
Pion+ Pion- Pion°
Juste au dessus sur fond vert, les deux quarks charmés en orange se désintègrent en deux muons en boules bleu roi.
Pion+ Pion- Kaon+ Kaon- en haut à gauche dans la partie bleue.
Mésons D° et anti D° composés de quark charmé et un anti u, ainsi que d’un anti charmé et d’un u.
Kaon+ Kaon° en haut à gauche.
Toujours en haut :
sur le fond orange un méson Ds+ composé d’un quark charmé et d’un quark anti-strange
sur fond jaune et vert un Kaon+ (quarks up et anti strange) un Kaon- (quarks anti-up et strange) ainsi que les pions+ ( quarks up et anti -down) et pions- (quarks anti-up et down).
Sur fond vert toujours en haut en allant vers le milieu de l’œuvre un J/psi (quarks charmé et anti-charmé en orange) se désintègre en deux muons (notés u avec une barre verticale sur la gauche).
En haut au milieu de la partie supérieure verte nous découvrons deux mésons D : le Ds- (quarks anti-charmé et strange) et le Ds+ (quarks charmé et anti-strange).
Toujours dans la partie supérieure en allant vers la droite de l’œuvre : sur fond orange un pion- (quark anti-up et down) juste au dessus un méson Ds- (quarks anti-charmé et un strange), sur fond vert un Kaon° (quarks down et anti-strange) et un Kaon- (quarks anti-up et strange) au dessus un Kaon+ (quarks up et anti-strange), vers la droite un méson D+ (quarks anti-down et charmé), sur fond vert au dessus un autre Kaon+ ( quarks up et anti-strange), en tournant sur la droite à nouveau pions + (quarks up et anti-down) et pions- (quarks anti-up et down), et méson D° (quarks charmé et anti-up).
En redescendant sur la droite sur fond vert une désintégration Kaon° (quarks down et anti-strange) Kaon – (quarks anti-up et strange) et pion+ (quarks anti-down et up). Toujours sur fond vert et un peu plus bas deux J/psi (quarks charmé et anti-charmé en orange) se désintègrent en deux muons (deux électrons « lourds »). Un peu plus bas deux pions° (composés de quarks up et anti-up ou down et anti-down), puis sur fond jaune un Kaon+ (quarks up et anti-strange) et un Kaon- (quarks anti-up et strange) suivis un peu plus bas sur fond vert d’un Kaon° (quarks down et anti-strange) et d’un méson D- (quarks anti-charmé et down).
Nous tournons toujours en bas à droite sur fond vert avec un pion+ (quarks up et anti-down) et un pion- (quarks anti-up et down) juste dessous apparaît un J/psi indiquant que commence La Renaissance du Charmé. On découvre également toujours à droite un méson D° (quarks charmé et anti-up) et un méson anti D° (quark anti-charmé et un up) un pion+ (quarks up et anti-down) un pion- (quark anti-up et down) ainsi que Kaon+ (quarks anti-strange et up) et Kaon- (quarks strange et anti-up) en bas au centre. En allant vers la gauche en bas sur fond bleu et vert on voit un Kaon- ((quarks anti-up et strange) un Kaon° (quarks down et anti-strange) et Kaon+ (quarks anti-strange et up).

Tout au bord de l’oeuvre dans la partie bleu roi et bleu foncé symbolisant le refroidissement du plasma, on aperçoit de nombreuses particules J/psi symbolisées par les deux boules orange (quarks charmé et anti-charmé) : on assiste alors à La Renaissance du Charmé.

Voilà, j’espère que cette promenade dans le Petit Monde de La Physique des Particules au sein d’un plasma de quark-gluon vous a plu, et vous incitera à la découverte des expériences menées au cœur des grands accélérateurs de particules tels le LHC au CERN.