Pour la première fois, l'expérience ALICE au Grand collisionneur de hadrons a mesuré directement le phénomène connu sous le nom de "cône mort", permettant aux physiciens de mesurer directement la masse d'une particule fondamentale, le quark charmé.
De nombreuses particules qui composent l'univers visible qui nous entoure sont en fait des particules constitutives construites à partir de particules fondamentales moins puissantes appelées quarks. Par exemple, les protons et les neutrons contiennent chacun trois quarks. Il existe six "saveurs" différentes de quarks - haut, bas, haut, bas, étrange et enchanté - chacune avec des masses, des spins et d'autres propriétés quantiques différents. Différentes combinaisons de quarks forment différentes particules. Les quarks sont maintenus ensemble dans ces particules constitutives par une force transmise à travers une particule sans masse appelée gluon. Collectivement, les quarks et les gluons sont connus sous le nom de partons.
Le grand collisionneur de hadrons du CERN près de Genève, en Suisse, accélère les protons avec de puissants champs magnétiques à travers un tunnel de 27 km de long jusqu'à une énergie de 6,8 TEV, après quoi ils entrent en collision les uns avec les autres. À la suite des collisions, une cascade d'autres particules se forme, qui elles-mêmes émettent ou se désintègrent en encore plus de particules, et ainsi de suite le long de la cascade, ce qui peut éclairer des aspects de la physique fondamentale.
En particulier, les quarks et les gluons sont créés et libérés dans une cascade appelée flux de partons, où les quarks libèrent des gluons, et les gluons eux-mêmes peuvent libérer d'autres gluons de moindre énergie.
Les scientifiques travaillant sur le projet ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ont analysé trois années de données de collisions proton-proton pour trouver des preuves de l'existence d'un cône mort. Selon la théorie de la chromodynamique quantique, ou QCD, le cône mort est une région où les partons d'une certaine masse et énergie ne peuvent pas émettre de gluons. "C'était très difficile d'observer directement le cône mort", a déclaré le porte-parole d'ALICE, Luciano Musa, dans un communiqué de presse.
Une partie de la difficulté est que la zone morte peut être remplie d'autres particules subatomiques créées lors de collisions proton-proton, et suivre le mouvement d'un parton à travers le flux n'est pas facile car il change constamment de direction.
Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont développé une méthode par laquelle ils ont pu rembobiner les enregistrements de flux de particules dans le temps, leur permettant de déterminer où et quand les sous-produits du flux ont été libérés. En particulier, ils ont recherché des flux impliquant un quark charmé. En les disséquant, les scientifiques ont découvert dans le modèle de rayonnement gluon émis lors des flux de partons, une zone où le rayonnement gluon était supprimé. C'est un cône mort.
La découverte est importante non seulement parce qu'elle confirme la prophétie QCD, mais aussi parce qu'il est désormais possible de mesurer directement la masse du quark charmé, qui, selon la théorie et les mesures indirectes, est de 1,275+/-25 MeV/c^2 . Selon QCD, le cône mort est directement lié à la masse du parton et les particules sans masse ne peuvent pas former un cône mort. La découverte du cône mort pourrait ouvrir la voie à une nouvelle ère de la physique des quarks.
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