Après des décennies à fouiller dans les mathématiques derrière la colle qui maintient les entrailles de toute matière ensemble, les physiciens ont trouvé une étrange particule hypothétique, qui n'a jamais apparu dans aucune expérience. Appelé un sexaquark, l'oddball est composé d'un arrangement génial de six quarks de différentes saveurs.
En plus d'être un personnage au son cool, le sexaquark pourrait éventuellement expliquer le mystère toujours plus exaspérant de la matière noire. Et les physiciens ont découvert que si le sexaquark avait une masse particulière, la particule pourrait vivre pour toujours.
Quarks de la nature
Presque tout ce que vous savez et aimez est constitué de minuscules particules appelées quarks. Il y en a six, étant donné les noms, pour diverses raisons ringardes, de haut, bas, haut, bas, étrange et charme. Les variétés haut et bas sont les plus légères de la grappe, ce qui les rend de loin les plus courantes. (En physique des particules, plus vous êtes lourd, plus vous avez de chances de vous désintégrer en objets plus petits et plus stables.)
Les protons et les neutrons à l'intérieur de votre corps sont tous composés de trios de quarks; deux hauts et un bas font un proton, et deux bas et un haut font un neutron. En effet, en raison de la nature compliquée de la force forte, les quarks aiment vraiment traîner en groupes de trois, et c'est aussi de loin la configuration la plus stable et la plus courante.
Parfois, dans nos collisionneurs de particules, nous créons des particules consistant chacune en une paire de quarks; ces agglomérations sont instables et se désintègrent rapidement en autre chose. Parfois, lorsque nous essayons vraiment fort, nous pouvons coller cinq quarks ensemble et les faire jouer agréablement les uns avec les autres - brièvement - avant qu'ils ne se décomposent eux aussi en autre chose.
Et à ce jour, ce sont toutes les combinaisons de quarks que nous avons pu fabriquer.
Cependant, il peut y avoir quelque chose d'étranger.
La forge des éléments
Après des décennies à fouiller dans les coins mathématiques de la force nucléaire puissante, les physiciens ont trouvé une étrange combinaison qui doit encore apparaître dans nos expériences: un arrangement de six quarks, composé de deux hauts, deux bas et deux étranges: le sexaquark.
Les théories ne prédisent pas une masse pour le sexaquark; cette valeur dépendrait de l'arrangement précis et de l'interaction des quarks individuels à l'intérieur de cette particule, il appartient donc aux physiciens expérimentaux de la déterminer. Et quant à la stabilité du sexaquark? Les calculs suggèrent que si sa masse tombe en dessous d'un certain seuil, il serait absolument stable pour toujours, ce qui signifie qu'il ne se décomposerait jamais. Et si la masse est un peu plus grande que cela, mais toujours en dessous d'un certain seuil, alors la particule se décomposerait, mais sur de si longues échelles de temps qu'elle pourrait aussi bien être stable pour toujours.
Si c'est stable, pourquoi ne l'avons-nous jamais vu?
Curieusement, la gamme de masses stables pour le sexaquark tombe en dessous du seuil de ce que de nombreuses expériences de collisionneur de particules peuvent créer; ces outils ont été conçus pour étudier des particules beaucoup plus rares, beaucoup plus lourdes et beaucoup plus éphémères. En d'autres termes, le sexaquark peut se cacher à la vue, ayant simplement volé sous le radar pendant toutes ces années.
Mais les collisionneurs de particules ne sont pas le seul endroit où faire des sexaquarks. Les premiers moments du Big Bang ont été un foyer frénétique d'énergies nucléaires, avec des températures et des pressions suffisamment élevées pour forger de l'hélium et de l'hydrogène à partir d'une soupe crue de quarks. Et cette forge a peut-être aussi inondé notre cosmos de sexaquarks, ainsi que de tous les personnages subatomiques les plus connus.
Des calculs préliminaires suggèrent que si le sexaquark est une chose réelle dans la bonne gamme de masses, il aurait pu être produit en abondance ridicule dans le premier univers. Et il aurait pu survivre à cet enfer juvénile. En fait, les sexaquarks peuvent toujours exister, n'interagissant pas vraiment avec quoi que ce soit, ne se décomposant pas vraiment en rien d'autre - juste existants, créant des tirages gravitationnels supplémentaires partout où ils se collectent, en raison de leur masse.
Une particule invisible qui inonde l'univers et qui n'interagit que par gravité? Bingo. C'est de la matière noire.
Une lumière dans le noir
Pour que le sexaquark compose la matière noire, il doit réellement exister. C'est actuellement un sujet de débat, car l'objet n'a jamais été repéré dans une expérience de collisionneur de particules. Mais comme nous l'avons vu plus tôt, la masse relativement légère du sexaquark peut signifier qu'il a pu passer inaperçu, simplement parce que nous ne l'avons pas cherché.
Mais cela commence à changer. Le détecteur BaBar du SLAC National Accelerator Laboratory en Californie est vraiment bon pour produire de nombreuses combinaisons de quarks, y compris des très lourds qui se désintègrent en des arrangements plus stables et plus raisonnables. BaBar devrait également produire une récolte exceptionnelle de sexaquarks, s'ils existent.
Un article publié le 2 janvier dans la base de données arXiv a rapporté le dernier résultat: aucun signe du sexaquark. Mais ce résultat est certain à un niveau de confiance de seulement 90%. Cela signifie que si les combinaisons de quarks les plus massives et les moins stables se désintègrent en sexaquarks stables, elles le font très rarement, à raison de seulement 1 désintégration sur 10 millions.
Est-ce que cela exclut le sexquark en tant que candidat à la matière noire? Pas assez. Il se pourrait que les conditions de l'univers primitif aient permis de fabriquer suffisamment de sexaquarks pour qu'ils puissent représenter la quantité de matière noire que nous estimons se trouver dans l'univers. Mais le nouveau résultat rend difficile l'utilisation du sexaquark pour expliquer la matière noire.
Bien essayé, sexaquark, mais pas de cigare - du moins pas encore.
Paul M. Sutter est astrophysicien àSUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte deDemandez à un astronaute etRadio spatialeet auteur deVotre place dans l'univers.
