Le zoo de la physique des particules accueille un étrange pensionnaire..

La collaboration LHCb, à l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Cern) de Genève, vient en effet d'apporter la preuve définitive de l'existence de la particule Z(4430)^-. "Personne ne comprend réellement de quoi il s'agit", avoue Pauline Gagnon, expérimentatrice au Cern. Comme les physiciens le soupçonnaient depuis 2008, la nouvelle venue serait composée de 4 quarks (des constituents élémentaires de la matière) : un quark et un antiquark charmés, un quark down et un antiquark up. Or, selon la théorie, les quarks se lient soit par 3 (formant des protons ou des neutrons), soit par 2 (formant d'autres particules, appelées mésons). "Avec 4430)^-, c'est comme si nous avions mis la main sur une espèce inconnue et inclassable, une sorte d'ornithoxynque de la physique des particules", confirme Guy Wormser, au Laboratoire de l'accélérateur linéaire (Orsay). Pas de quoi renverser la théorie des particules élémentaires. Mais la preuve que même la matière "ordinaire", celle composée des particules élémentaires connues, recèle encore bien des surprises !

Les débuts de l'Univers ne ressembleraient pas à ce qu'on croyait jusqu'à présent, il aurait fait des bulles. C'est ce que vient de montrer, pour la première fois, une expérience internationale installée sur l'accélérateur amélicain de particules RHIC, à Brookhaven. Simulation de la collision de noyaux d'or qui a donné naissance à une "soupe" primordiale (->).

Pour mieux comprendre les conditions qui régnaient peu après le Big Bang, les physiciens ont fait se percuter des noyaux d'or. Ils ont ainsi obtenu une "soupe" très chaude de particules fondamentales, les quarks et les gluons, constituants de la matière des noyaux atomiques. À leur grande surprise, ils ont découvert que le passage de cette matière primordiale à notre matière ordinaire s'accompagne de la formation de petites bulles. Mieux, dans ces bulles, les particules chargées se déplacent dans une direction bien précise, alors qu'elles devraient avoir autant de chance d'aller dans un sens que dans l'autre.
Selon les porte-parole de l'expérience, ce "déséquilibre" pourrait avoir un lien avec un basculement encore plus important et toujours mystérieux : la disparition de la sour jumelle de la matière, l'antimatière. Mais la prudence est de mise. "L'observation est intéressante. Tout comme la théorie des bulles proposée. Mais le lien entre les deux n'est pas formellement établi", tempère Yves Schutz de l'expélience Alice, au Cern, qui devrait cette année fabriquer, elle aussi, des soupes de quarks et gluons. À Brookhaven, de nouvelles mesures vont reprendre pour confirmer cet effet.

Le Tevatron, l'accélérateur de particules américain du Fermilab, n'a peut-être pas dit son dernier mot. Lors d'une collision entre un proton et un antiproton, un excès de production de quarks a en effet été débusqué.

Excès que le modèle standard n'explique pas. "C'est intrigant et excitant, s'enthousiasme Marcela Carena, théoricienne au Fermilab. Ce pourrait être le signe de la désintégration d'une particule jamais observée." Certes, en Jargon statistique, l'observation n'est qu'une "évidence", pas encore une découverte. Et un expérimentateur du LHC, à Genève, confie : "Le signal apparaît sur un très fort bruit de fond dont la modélisation est sujette à des erreurs systématiques".
Il n'empêche, une floraison de modèles tente déjà de décrypter le phénomène. Si les caractéristiques de l'intruse éliminent le fameux boson de Higgs, il pourrait s'agir d'une particule associée à une nouvelle force, appelée technicouleur, proposée il y une vingtaine d'années pour expliquer l'origine de la masse. Pour Christophe Grojean, théoricien au CERN, l'effervescence autour de cette publication est surtout "une façon de se préparer à réagir lorsque les données non standard commenceront à apparaître au LHC". Preuve que quelle que soit la réalité de la nouvelle particule, à l'orée du "grand soir", l'impatience gagne les spécialistes de l'infiniment petit.

C'est une certitude, l'actuelle théorie des particules, le modèle standard, n'est qu'une étape. À très haute énergie, il doit laisser place à une physique inconnue riche d'une myriade de nouvelles particules élémentaires. Or, les physiciens du Fermilab de Chicago ont peut-être découvert l'une d'entre elles...

Découvrir une nouvelle particule élémentaire, cela n'arrive pas tous les jours ! Les physiciens n'avaient d'ailleurs pas vécu un tel événement depuis 2001, avec la première observation du neutrino du tau, pas moins de six longues années après la mise en évidence du quark top, en 1995... Et encore, la surprise n'en était pas vraiment une, car ces particules étaient prévues de longue date par le modèle standard, c'est-à-dire la théorie qui, à ce jour, permet d'expliquer tout ce qui a été observé au fond des accélérateurs depuis quarante ans. Dans ces conditions, on comprend l'effervescence qui règne actuellement au Tevatron, l'accélérateur de particules du Fermilab, près de Chicago. Alors que devrait lui succéder dans quelques mois le LHC, l'accélérateur géant du Cern, tombé en panne peu après sa mise en service en septembre dernier, le vieux collisionneur vient peut-être de faire une découverte majeure en physique des particules.

Rien moins que la mise en évidence de nouvelles particules que personne n'attendait ! Certes, les physiciens ne parlent pour l'instant que d'une "anomalie", mais d'aucuns voudraient déjà y voir la trace des premiers grains de... matière noire matérialisés sur Terre ! Soit cette matière invisible dont les astrophysiciens sont persuadés qu'elle est cinq fois plus abondante que la matière ordinaire dans l'Univers.

UN ÉTRANGE EXCÈS DE MUONS : De fait, "l'anomalie CDF" (du nom de l'un des deux détecteurs du Tevatron) survient alors que, de son côté, le satellite Pamela vient d'observer dans un flux de rayons cosmiques une autre anomalie qui pourrait prouver l'existence de particules inconnues témoignant peut-être de la matière noire. Or, leurs caractéristiques ressemblent justement à celles des hypothétiques particules pouvant expliquer l'anomalie CDF !
Concrètement, la situation est la suivante. Début novembre, une partie des chercheurs travaillant sur CDF a publié l'analyse d'événements singuliers s'étant produits dans l'accélérateur. Basiquement, celui-ci fait entrer en collision frontale des protons et des antiprotons à des vitesses proches de celle de la lumière. En vertu de l'équivalence entre énergie et matière, le choc engendre une myriade de nouvelles particules, dont la plupart se désintègrent en une fraction de seconde. Le travail des physiciens consiste alors à attraper certains débris dans leurs détecteurs afin de reconstruire ce qui s'est effectivement passé, avant de comparer le résultat avec ce que prévoit la théorie. En l'occurrence, les physiciens de CDF se sont intéressés de prèsà certaines collisions faisant émerger une paire de muons, dont l'un au moins s'est matérialisé relativement loin du lieu de la collision, c'est-à-dire relativement tard. (Le détecteur COF a enregistré un excès de muons dans certaines collisions. Et cette "anomalie CDF" témoigne, peut-être, d'inédites particules. ->) Comme ils le font systématiquement, les expérimentateurs ont intégré dans leur analyse tout ce qu'ils connaissent de la physique de tels événements, en prenant soin de tenir compte de tous les biais imaginables liés à la sélection des événements intéressants ou à la complexité des détecteurs et pouvant se produire au cours de l'expérience, au risque de fausser son résultat.
Or, leur conclusion, détaillée dans un article de plus de soixante-dix pages, est sans appel : les événements étudiés sont beaucoup trop nombreux par rapport à ce que prévoit la théorie. Autrement dit, trop de muons ont été détectés. Comme le résume Aurore Savoy-Navarro, responsable du groupe CDF au Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies, à Paris : "Après avoir exploré beaucoup de possibilités afin d'expliquer cet excès, notre conclusion est que nous ne comprenons pas ce que nous voyons."

DÉPASSER LE MODÈLE STANDARD : Pour les physiciens, rien de mieux que de ne pas comprendre ce qu'ils observent... Comme une boussole leur indiquant tout à coup une voie pour aller plus loin. En l'occurrence, tiendraient-ils ici une piste sérieuse pour dépasser - enfin - le modèle standard de la physique des particules ? C'est-à-dire l'édifice théorique le plus précis jamais élaboré pour décrire la matière, mais dont les physiciens savent bien qu'il n'est qu'une étape sur le chemin de la théorie ultime, étape qui devra être franchie pour décrire la matière à très haute énergie. Il est trop tôt pour l'affirmer. Ainsi, Jacobo Konigs-berg, de l'université de Floride, contact officiel auprès de CDF, explique : "Après avoir étudié très attentivement les effets que nous connaissons et que nous pouvons prendre en compte, nous avons atteint un plateau dans notre compréhension. Pour autant, nous n'avons absolument pas exclu qu'une explication banale, tel un effet instrumental ou un bruit de fond subtil, était possible. Et nous continuons à chercher." Autrement dit, pour les physiciens de CDF, pas question d'annoncer quoi que ce soit de sensationnel qui pourrait ensuite se dégonfler... D'autant que pour Abdelhak Djouadi, du Laboratoire de physique théorique, à Orsay, "il y a beaucoup plus de chances pour que l'excès de muons observé dans CDF soit la conséquence d'un bruit de fond mal compris plutôt qu'une manifestation d'une nouvelle physique. Du reste, ce n'est pas la première fois que CDF observe quelque chose de bizarre qui, finalement, a été expliqué de façon conventionnelle".
Ce qui n'empêche pas les spéculations théoriques de commencer à fleurir sur le mystérieux excès. Et pour cause, comme le fait remarquer Paolo Giromini, de l'Institut national de physique nucléaire, à Frascati, en Italie, et signataire de la publication de l'équipe CDF : "Historiquement, c'est dans des situations analogues que le lepton tau ou les particules contenant un quark étrange ont été découverts. Au départ, les premières publications ne faisaient que rapporter des événements pour lesquels il n'y avait aucune explication"... Ainsi, d'après le physicien italien, l'anomalie observée serait, en principe, compatible avec l'existence de trois nouvelles particules. Ce serait alors la cascade de désintégrations des produits de la collision proton-anti-proton dans ces différentes particules qui conduirait à l'excès final de muons loin du lieu de la collision. Une piste excitante dans la mesure où elle fait écho à un article récent de Nina Arkani-Hamed, à Princeton, et Neal Weiner, à l'université de New York. Il y a un mois, les deux chercheurs ont en effet proposé une théorie susceptible de rendre compte d'une anomalie détectée récemment par le satellite Pamela dans le flux de rayons cosmiques qui bombardent la Terre. À savoir un excès de positrons (l'antiparticule de l'électron). Or, cette théorie invoque l'existence de nouvelles particules ressemblant à celles qui pourraient expliquer l'anomalie CDF !

LE TEVATRON PERSISTE... Neal Weiner détaille : "Pour l'heure, notre modèle n'est pas en mesure de reproduire fidèlement les données de CDF. Cela dit, nous ne faisons que commencer à y penser. Mais la leçon à retenir est que le même type de particules pourrait à la fois résoudre l'excès de positrons enregistré par Pamela et l'anomalie CDF." Reste que concernant les résultats de Pamela, là aussi, la prudence est de mise. Car comme l'explique Pierre Salati, du laboratoire de physique des particules d'Annecy-le-Vieux, "si l'excès de positrons est peut-être lié à des particules de matière noire, leur source peut tout aussi bien être un objet astrophysique classique, tels les restes d'une supernova ou une étoile à neutron". De son côté, Jacobo Konigsberg reconnaît que "la probabilité d'une explication exotique de l'excès de muons enregistré par CDF est impossible à prédire. Autrement dit, c'est soit zéro, soit un".
Désormais, les physiciens ont donc les yeux rivés sur D0, l'autre détecteur du Tevatron. S'il enregistre dans les prochains mois un inexplicable excès de muons, cela signera peut-être la découverte de la décennie... Jusque-là : patience !