Lors de collisions de noyaux atomiques d’argon et de scandium, les scientifiques de l’expérience internationale NA61/SHINE ont observé une anomalie évidente indiquant une violation de l’une des symétries les plus importantes du monde des quarks : la symétrie de saveur approximative entre les quarks ascendants et descendants. L’existence de cette anomalie peut être due à des insuffisances jusqu’ici inconnues dans les modèles actuels de collision nucléaire, mais le lien potentiel avec la « nouvelle physique » tant recherchée ne peut être exclu.
Si nous devions assembler une structure en utilisant le même nombre de blocs en bois et en plastique, nous nous attendrions à ce que les proportions entre les blocs des deux types ne changent pas après le démontage. Jusqu’à présent, les physiciens ont vécu dans l’idée qu’une symétrie similaire des états initiaux et finaux, appelée symétrie de saveur, se produit dans les collisions entre les particules contenant des quarks up et down. Toutefois, un article publié récemment dans la prestigieuse revue Nature Communications donne une image différente de la réalité. Une observation intrigante, aux conséquences considérables, a été faite par le groupe de l’expérience NA61/SHINE, dont une grande partie des membres sont des physiciens polonais, notamment ceux de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie. L’équipe a étudié les collisions entre des noyaux d’argon et de scandium accélérés par le Super Synchrotron à Protons (SPS) – le même accélérateur qui est également responsable de la phase finale d’accélération des protons avant de les injecter dans le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN près de Genève.
« Dans l’état actuel des connaissances, le monde de la matière que nous percevons est principalement constitué de particules élémentaires appelées quarks. Il en existe six types, chacun ayant son équivalent en antimatière. Les protons et les neutrons, constituants de base des noyaux atomiques, sont composés de triplets de quarks up et down – toujours mélangés – tandis que les paires quarks-antiquarks sont appelées mésons », introduit le professeur Andrzej Rybicki (IFJ PAN).
Le facteur responsable du collage des quarks en protons, neutrons ou mésons est l’interaction forte, décrite par une théorie appelée chromodynamique quantique. De ses équations, il résulte que si les quarks de tous types avaient les mêmes masses, l’interaction forte ne distinguerait aucun d’entre eux. En fait, les quarks de différentes variétés (saveurs) ont des masses très différentes, ce qui brise cette symétrie. Ce qui devient crucial, cependant, c’est que les deux types de quarks les plus légers – les quarks up et down mentionnés précédemment – diffèrent peu dans leurs masses. Les interactions fortes ne les traitent donc pas exactement de la même manière, mais suffisamment pour parler de l’existence d’une symétrie de saveur approximative. Dans la recherche nucléaire, l’importance de cette symétrie est considérable. Elle permet de savoir que si une collision à haute énergie impliquant des quarks up produit certaines particules secondaires avec une probabilité donnée, alors avec presque la même probabilité d’autres particules secondaires correspondantes seront produites dans une collision où des quarks down seraient présents (et vice versa).
L’équipe de l’expérience NA61/SHINE a participé à l’étude des mésons K (kaons), qui apparaissent sous différentes formes lors de collisions à haute énergie de noyaux atomiques d’argon et de scandium. À l’origine, le groupe prévoyait de mesurer uniquement les kaons chargés électriquement. Certes, on savait que des kaons neutres de courte durée de vie, sans charge électrique, sont également produits lors des collisions, mais il ne semblait pas utile de les mesurer. Après tout, la symétrie de saveur montrait clairement qu’en additionnant des kaons négatifs et des kaons positifs, le résultat devait correspondre au nombre de kaons neutres avec une bonne approximation. Finalement, le groupe a décidé d’effectuer des mesures de kaons de tous types, ce qui s’est avéré un grand succès.
« Les résultats publiés par notre équipe s’avèrent être statistiquement très différents des prédictions théoriques antérieures. On considère généralement que les écarts entre les données expérimentales, en raison de la nature approximative de la symétrie de saveur, ne dépassent pas 3 % dans cette gamme d’énergie. Nous, en revanche, signalons une surproduction de kaons chargés atteignant jusqu’à 18 % », déclare le professeur Rybicki.
En y regardant de plus près, l’effet observé devient encore plus intriguant. Un isotope stable de l’argon compte 18 protons et 22 neutrons, alors que dans le cas du scandium, il y a trois neutrons de plus dans un noyau stable qu’il n’y a de protons. Les protons étant des conglomérats de deux quarks up et d’un quark down, et les neutrons l’inverse, une simple arithmétique prouve qu’il y avait un peu plus de quarks down dans les systèmes étudiés avant les collisions.
« Puisque nous avons commencé avec plus de quarks down que de quarks up, nous nous attendrions intuitivement à ce que, s’il y a une perturbation de la symétrie de saveur, nous observions plus de quarks down après la collision. Or, nos analyses montrent sans équivoque que la symétrie de saveur est perturbée dans l’autre sens et qu’en fin de compte, ce sont les quarks up qui sont plus abondants », explique l’initiatrice de la mesure des kaons neutres, le professeur Katarzyna Grebieszkow, de l’Université de technologie de Varsovie.
Les raisons de la rupture de symétrie observée dans les collisions entre les noyaux atomiques d’argon et de scandium sont actuellement inconnues. Peut-être les calculs théoriques inspirés de la chromodynamique quantique n’ont-ils pas pris en compte une propriété importante de ces collisions. Cependant, une autre possibilité, plus spectaculaire, n’est pas à exclure : que l’effet observé aille au-delà de la théorie existante des interactions fortes et du modèle standard construit avec elle, ce qui signifierait qu’il s’agit d’une manifestation de la « nouvelle physique » tant recherchée. Indépendamment des développements ultérieurs, la découverte a déjà des implications significatives pour les scientifiques impliqués dans l’étude des collisions à haute énergie entre les particules et les noyaux atomiques. En effet, l’hypothèse de l’existence de la symétrie en question a été largement utilisée pendant des décennies pour modéliser le déroulement de nombreuses expériences nucléaires et interpréter leurs résultats.
« Le fait est que nous avons découvert la brisure de symétrie de saveur dans les collisions entre les noyaux atomiques. Aujourd’hui, nous ne sommes pas encore en mesure de dire s’il s’agit d’un phénomène universel, affectant toutes les interactions avec la présence de quarks, ou s’il ne se produit, par exemple, que pour des noyaux de masse spécifique ou pour certaines énergies de collision, mais pas d’autres », souligne le professeur Rybicki, avant d’ajouter : « En pratique, cela implique qu’il est nécessaire de disposer d’un outil de modélisation de l’interaction entre les quarks et le noyau atomique : « En pratique, cela implique la nécessité d’une réévaluation minutieuse de pratiquement tous les modèles de production de particules dans les collisions à haute énergie, ainsi que de nombreux résultats expérimentaux. »
Dans les mois à venir, les scientifiques de l’équipe NA61/SHINE commenceront à travailler pour confirmer la rupture de symétrie de saveur dans les collisions caractérisées par un nombre initialement égal de quarks up et down.
« Nous nous concentrerons tout d’abord sur les dizaines de millions de collisions de mésons pi+ et pi- avec des noyaux de carbone déjà enregistrées, où il est possible de parler de symétrie de saveur complète avant la collision. L’étape suivante consistera à étudier le déroulement des collisions oxygène-oxygène et magnésium-magnésium, ce dernier système semblant particulièrement prometteur en raison de la complexité des noyaux atomiques similaires à l’argon et au scandium, dont les collisions ont permis de découvrir le phénomène en question », explique Seweryn Kowalski, professeur à l’université de Silésie, qui dirige l’expérience NA61/SHINE avec le professeur Eric Zimmerman de l’université du Colorado à Boulder.
Malheureusement, nous devrons encore attendre pour obtenir les résultats les plus intéressants : les collisions de noyaux de magnésium ne seront possibles qu’après la mise à niveau du LHC, qui durera trois ans et qui commencera bientôt.
Les travaux de recherche sur la brisure de la symétrie de saveur approximative, rendus possibles grâce au soutien de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), ont été financés en Pologne par le ministère des sciences et de l’enseignement supérieur et par le Centre national des sciences.
Article : « Evidence of isospin-symmetry violation in high-energy collisions of atomic nuclei » – The NA61/SHINE Collaboration, F. Giacosa, M. Gorenstein, R. Poberezhniuk, S. Samanta – Nature Communications 2025, 16, 2849 – DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57234-6
Légende illustration : Intérieur du détecteur de projectiles (PSD) utilisé dans l’expérience NA61/SHINE au CERN. (Source : Julien Marius Ordan, CERN-PHOTO-202011-147-2 / Licence : CC-BY-4.0)
