Peu de physiciens espéraient voir cela de leur vivant, même ceux travaillant au LHC (Large Hadron Collider), le plus grand accélérateur de particules au monde. En analysant des millions de collisions de protons, les expériences CMS et ATLAS (qui ont publié leurs résultats respectivement en mars et juillet 2024) ont fini par repérer un phénomène que l’on croyait impossible à capturer : un état très bref appelé toponium. Il apparaît lorsqu’un quark top, une particule très lourde qui disparaît presque aussitôt après être née, rencontre son antiparticule, l’anti-quark top.
Un événement qui va à l’encontre de tout ce que les physiciens imaginaient pouvoir mesurer ; en effet, deux particules qui vivent moins longtemps qu’un éclair ne devraient jamais avoir le temps de s’associer. Pourtant, c’est bien ce qu’il s’est produit l’an dernier : au milieu du chaos des collisions, les deux particules ont laissé par deux fois une trace suffisamment visible pour être détectées par les capteurs du LHC.
Un duo impossible : comment le toponium a-t-il fini par apparaître ?
Le LHC est un immense tunnel souterrain, long de 27 km, dans lequel des protons sont propulsés à des vitesses proches de celle de la lumière avant de se percuter, libérant ainsi une pluie de particules rares et éphémères que les physiciens analysent pour comprendre les secrets de la matière. Les collisions sont si énergétiques qu’elles recréent des particules qui n’existent pas dans notre quotidien : quarks, pentaquarks, tétraquarks, leptons, bosons (dont le Boson de Higgs, découvert grâce à lui en 2012), etc.
Une liste qui ne cesse de s’agrandir depuis qu’il a été construit, parmi laquelle figure le quark top. La particule élémentaire la plus lourde du Modèle Standard de la physique des particules (notre plan actuel du monde microscopique), possédant une masse comparable à celle d’un atome d’or entier, et se désintégrant presque instantanément avant de pouvoir former quoi que ce soit de stable. Elle disparaît bien plus vite que n’importe quel processus physique que nous pouvons concevoir à notre échelle.
Contrairement aux autres quarks, il ne forme pas de protons ou de neutrons, ni aucune de ces particules composites qui constituent la matière que nous pouvons toucher : ll n’a donc pas le temps d’interagir avec son environnement. À peine né, un anti-quark top apparaît en même temps que lui : les deux sont identiques en masse et en comportement, mais l’un porte une charge positive (le quark top) là où l’autre porte une charge négative (l’anti-quark top). Les deux forment un duo inséparable, naturellement produit par les collisions au sein du LHC.
Même s’ils naissent en tandem, rien ne laissait penser que ces deux particules puissent se lier. Leur existence est si brève que, dans la théorie comme dans l’expérience, elles devraient simplement s’éloigner l’une de l’autre et se désintégrer individuellement.
C’est la raison principale pour laquelle le toponium (état qui se forme quand le quark top et l’anti-quark top sont liés un instant, même fugace) avait été classé pendant 35 ans dans la catégorie des phénomènes impossibles. Trop rapide pour être observé, sa durée de vie est ridiculement courte : une échelle de temps des milliards de millards de fois plus petit qu’une nanoseconde.
Ce n’est donc pas le toponium lui-même que les détecteurs du LHC ont « photographié » directement, c’est physiquement impossible. Ce qui a été mesuré, en revanche, c’est l’arrangement des particules finales qui se sont répartis dans l’espace, quelques instants après la collision du duo top/anti-top.
Pour simplifier, celles-ci se comportent un peu comme des éclats de verre : en étudiant leur direction, il est possible de deviner la forme de l’objet qui a explosé. Ici, ces éclats, lors des deux expériences CMS et ATLAS, se sont organisés suivant des corrélations angulaires impossibles à reproduire si les deux particules s’étaient désintégrées séparément. C’est en retrouvant ce « patron », qui ne ressemble à aucun autre produit de désintégration, que les chercheurs ont pu déduire qu’un très bref instant, le toponium a existé dans le tunnel du LHC.
Quelles implications pour la physique contemporaine ?
Cet instrument unique au monde vient de nous prouver qu’en plus d’être un excellent traqueur de particules, il peut désormais s’attaquer aux questions fondamentales de l’information quantique. Oui, le toponium fait bien partie de ce domaine nébuleux, car il n’est rien d’autre qu’un système quantique collectif, où l’information n’est plus portée par une particule isolée mais par le duo lui-même.
Le simple fait d’avoir la preuve qu’il existe et de pouvoir l’analyser nous permettra, à terme, de mieux comprendre le comportement de la matière une fois qu’elle est soumise à des conditions extrêmes.
Nous appréhenderons également mieux comment l’information quantique se conserve ou se désintègre (un facteur essentiel pour concevoir des systèmes quantiques fiables), ou d’émettre des théories plus fiables sur les premiers instants qui ont suivis le Big Bang. Peut-être que nous pourrions également repérer rétrospectivement d’autres phénomènes dans les données que le LHC a accumulé dans ses 17 ans d’existence, qui étaient passés inaperçus car nous manquions de cette grille de lecture apportée par CMS et ATLAS. Les retombées potentielles sont considérables pour la physique théorique, car l’existence du toponium pourrait être l’une des preuves que le Modèle Standard, élaboré dans les années 1970, est insuffisant pour expliquer le monde qui nous entoure. Un bouleversement conceptuel comparable à la découverte de l’atome ou ou à la formulation de la théorie de la relativité générale : des séismes intellectuelles qui ont laissé un avant et un après.
- Des équipes du LHC ont identifié pour la première fois un état top–anti-top lié, longtemps considéré comme trop bref pour être détecté.
- Cette observation montre que même les particules les plus éphémères peuvent former un système quantique collectif laissant une empreinte mesurable.
- Ce résultat ouvre la voie à une révision possible de nos théories actuelles et à une exploration plus fine des mécanismes fondamentaux de la matière et de l’information quantique.
📍 Pour ne manquer aucune actualité de Presse-citron, suivez-nous sur Google Actualités et WhatsApp.
