Un mystère vieux de plusieurs décennies en physique des particules résolu

Le résultat : les protons et neutrons nécessaires à la formation des deutérons sont libérés lors de la désintégration d’états de particules très éphémères et hautement énergétiques (appelés résonances) avant de se lier ensemble. Il en va de même pour leurs homologues d’antimatière.

Lors des collisions de protons au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, des températures apparaissent qui sont plus de 100 000 fois plus chaudes que le centre du Soleil. Jusqu’à présent, il était totalement incompréhensible que des particules fragiles comme les deutérons et les antideutérons puissent survivre dans ces conditions. Dans un tel environnement, les noyaux atomiques légers comme le deutéron – composé d’un seul proton et d’un seul neutron – devraient en réalité se désintégrer immédiatement, puisque la force de liaison qui les maintient ensemble est relativement faible. Pourtant, de tels noyaux avaient été observés à plusieurs reprises. Il est désormais clair : environ 90 % des (anti)deutérons observés sont produits par ce mécanisme.

Une meilleure compréhension de l’univers

La physicienne des particules de la TUM, Prof. Laura Fabbietti, chercheuse au sein du Cluster d’excellence ORIGINS et du SFB1258, souligne : « Notre résultat est une étape importante vers une meilleure compréhension de l’interaction forte – cette force fondamentale qui lie les protons et les neutrons ensemble dans le noyau atomique. Les mesures montrent clairement : les noyaux légers ne se forment pas dans la phase initiale chaude de la collision, mais plus tard, lorsque les conditions sont devenues un peu plus froides et plus calmes. »

Le Dr. Maximilian Mahlein, chercheur au Laboratoire de la matière hadronique dense et étrange de la Prof. Fabbietti à la TUM School of Natural Sciences, explique : « Notre découverte est significative non seulement pour la recherche fondamentale en physique nucléaire. Les noyaux atomiques légers se forment également dans le cosmos – par exemple lors d’interactions des rayons cosmiques. Ils pourraient même fournir des indices sur la matière noire encore mystérieuse. Grâce à nos nouvelles découvertes, les modèles de formation de ces particules peuvent être améliorés et les données cosmiques interprétées de manière plus fiable. »

Informations complémentaires :

Le CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) est le plus grand centre de recherche au monde pour la physique des particules. Il est situé à la frontière entre la Suisse et la France, près de Genève. Sa pièce maîtresse est le LHC, un accélérateur annulaire souterrain de 27 kilomètres de long. À l’intérieur, des protons entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces collisions recréent des conditions similaires à celles qui existaient juste après le Big Bang – des températures et des énergies qui n’existent nulle part dans la vie quotidienne. Les chercheurs peuvent ainsi étudier comment la matière est structurée à son niveau le plus fondamental et quelles lois naturelles s’y appliquent.

Parmi les expériences du LHC, ALICE (A Large Ion Collider Experiment) est spécifiquement conçue pour étudier les propriétés de l’interaction dite forte – la force qui maintient les protons et les neutrons ensemble dans les noyaux atomiques. ALICE agit comme une caméra géante, capable de suivre et de reconstruire avec précision jusqu’à 2000 particules créées lors de chaque collision. L’objectif est de reconstituer les conditions des premières fractions de seconde de l’univers – et ainsi de mieux comprendre comment une soupe de quarks et de gluons a d’abord donné naissance à des noyaux atomiques stables et finalement à la matière.

Le Cluster d’excellence ORIGINS étudie la formation et l’évolution de l’univers et de ses structures – des galaxies, étoiles et planètes jusqu’aux briques fondamentales de la vie. ORIGINS retrace le chemin des plus petites particules de l’univers primitif jusqu’à l’émergence des systèmes biologiques. Parmi les exemples figurent la recherche de conditions qui pourraient permettre une vie extraterrestre et une compréhension plus profonde de la matière noire. En mai 2025, la deuxième phase de financement du cluster, proposée conjointement par la TUM et l’Université Ludwig-Maximilians de Munich (LMU), a été approuvée dans le cadre de la Stratégie d’excellence très compétitive des gouvernements fédéral et régionaux allemands.

Le Centre de recherche collaboratif « Neutrinos et matière noire en astrophysique et physique des particules » (SFB 1258) se concentre sur la physique fondamentale, où l’interaction faible, l’une des quatre forces fondamentales de la nature, est centrale. La troisième période de financement du SFB1258 a débuté en janvier 2025.

Article : Observation of deuteron and antideuteron formation from resonance-decay nucleons – Journal : Nature – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Soruce : TUM