Des hadrons à quatre quarks existent bien, mais sont-ils des tétraquarks ?

Voilà que l’on parle à nouveau de l’observation d’un tétraquark, une particule qui ne semble pas pouvoir exister selon la théorie des quarks. Cette fois-ci, si l’on peut raisonnablement parler de la découverte d’une particule contenant quatre quarks avec la résonance Z_c(3900), on ignore sa vraie nature. Ce pourrait être une sorte de molécule formée de deux mésons, et non un hadron unique.

À gauche, les hadrons ordinaires avec les baryons formés de trois quarks et les mésons formés d'un quark et d'un antiquark. À droite, deux des hypothèses en lice pour expliquer le hadron Z_c(3900), une molécule de mésons ou un vrai tétraquark.

Selon la théorie des quarks, le monde des hadrons ne peut contenir que des mésons, c'est-à-dire des particules formées de deux quarks, et des baryons, composés de trois quarks. Ce fut donc une surprise lorsque les physiciens des particules ont découvert le hadron Y(4260) en 2005 avec l’expérience BaBar. Au début, ils pensaient à un état excité du charmonium, c'est-à-dire une particule formée d’un quark charmé et de son antiquark. Mais il a fallu se rendre à l’évidence. Il s'agissait d’un autre exemple de ce que l’on appelle désormais des mésons XYZ, dont la masse est d’environ 3,9 GeV. Ressemblant par certains côtés à des mésons contenant des quarks charmés, ils n’entrent cependant pas dans cette catégorie. On ne comprend pas bien leur existence dans le cadre de la chromodynamique quantique, la QCD.

Y(4260) est le plus déroutant, et l’on peut l’interpréter comme un état lié de quatre quarks, un tétraquark donc. Ce n’est pas la première fois que l’on découvre des indices de l’existence d’un hadron formé de quatre, voire cinq quarks. Ainsi, pendant des années, le pentaquark a été un serpent de mer de la physique hadronique. Toutefois, on pouvait aussi interpréter l’existence de la résonance Y(4260) en entrant moins frontalement en conflit avec la QCD. 

Un schéma montrant les hadrons composés de quarks, mais surtout des champs de gluons collant ces particules et expliquant l'essentiel de la masse du proton et du pion. Le méson Z_c(3900) est peut-être un tétraquark avec deux quarks charmés.

Hadron avec une boule de glu stable ou molécule de mésons ?

En effet, la théorie repose sur l’existence de sortes de cousins du photon, les gluons, pour expliquer les forces nucléaires fortes qui collent les quarks entre eux. Du fait de la structure non linéaire des équations de Yang-Mills de la QCD, les gluons s’attirent aussi entre eux. Alors que c’est un phénomène impossible en électrodynamique quantique, il peut se former temporairement dans les hadrons des états liés de deux gluons, les « boules de glu », ou glueballs en anglais.

Comme les quarks, les glueballs ne peuvent pas exister à l’état isolé. En fait, on n’a que des preuves indirectes de leur existence temporaire dans les hadrons où elles apparaîtraient et disparaîtraient sans cesse d’une certaine façon. Certains ont proposé que Y(4260) soit en fait un méson hybride où une glueball stable serait liée à un méson standard. Dans la même veine, d’autres ont proposé que Y(4260) soit une « molécule de mésons », formée par deux mésons liés par les forces nucléaires fortes.

Des usines à bosons XYZ

C’est pour tenter de mieux comprendre la nature de Y(4260) que les physiciens de BESIII en Chine et de Belle à Tsukuba, au Japon, ont entrepris de créer un grand nombre de ces hadrons. Ce faisant, ils ont découvert indépendamment une autre résonance Z_c(3900). Elle se désintègre en un pion chargé et la fameuse particule J/ψ, dont l’observation a validé l’existence du quark charmé exigée entre autres par la fameuse matrice de Kobayashi et Maskawa.

Cette fois, cet objet semble bien être une véritable particule formée de quatre quarks. Mais il reste toujours possible que Z_c(3900) ne soit pas un tétraquark, mais, là encore, une molécule formée de deux mésons. Cependant, s’il s’agit bien d’un tétraquark, il faudra d'abord expliquer son existence dans un cadre théorique, mais surtout, cela impliquera qu’une partie du zoo des hadrons est restée dans l’ombre, et qu’il reste encore probablement à découvrir une riche faune de particules formées de quatre quarks.