Boule de colle - Glueball
| Modèle standard de la physique des particules |
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En physique des particules , une boule de colle (également gluonium , boule de gluon ) est une particule composite hypothétique . Il se compose uniquement de particules de gluons , sans quarks de valence . Un tel état est possible car les gluons portent une charge de couleur et subissent une forte interaction entre eux. Les boules de colle sont extrêmement difficiles à identifier dans les accélérateurs de particules , car elles se mélangent aux états de mésons ordinaires .
Les calculs théoriques montrent que les boules de colle devraient exister dans des gammes d'énergie accessibles avec la technologie actuelle des collisionneurs . Cependant, en raison de la difficulté susmentionnée (entre autres), ils n'ont jusqu'à présent pas été observés et identifiés avec certitude, bien que des calculs phénoménologiques aient suggéré qu'un candidat à la boule de colle identifié expérimentalement, noté , possède des propriétés cohérentes avec celles attendues d'une boule de colle modèle standard .
La prédiction de l'existence de boules de colle est l'une des prédictions les plus importantes du modèle standard de la physique des particules qui n'a pas encore été confirmée expérimentalement. Les boules de colle sont les seules particules prédites par le modèle standard avec un moment angulaire total ( J ) (parfois appelé « spin intrinsèque ») qui pourrait être 2 ou 3 dans leurs états fondamentaux.
Des preuves expérimentales ont été annoncées en 2021 par la collaboration TOTEM au LHC en collaboration avec la collaboration DØ à l'ancien collisionneur Tevatron au Fermilab d' odderon (une particule gluonique composite avec une parité c impaire ). Cet échange, associé à une boule de colle vectorielle sans quarks à trois gluons, a été identifié dans la comparaison de la diffusion proton-proton et proton-antiproton.
Propriétés
En principe, il est théoriquement possible que toutes les propriétés des boules de colle soient calculées exactement et dérivées directement des équations et des constantes physiques fondamentales de la chromodynamique quantique (QCD) sans autre entrée expérimentale. Ainsi, les propriétés prédites de ces particules hypothétiques peuvent être décrites avec des détails exquis en utilisant uniquement la physique du modèle standard qui est largement acceptée dans la littérature de physique théorique. Mais, il existe une incertitude considérable dans la mesure de certaines des constantes physiques clés pertinentes, et les calculs QCD sont si difficiles que les solutions à ces équations sont presque toujours des approximations numériques (calculées à l'aide de plusieurs méthodes très différentes). Cela peut entraîner des variations dans les prédictions théoriques des propriétés de la boule de glu, comme les rapports de masse et de ramification dans les désintégrations de la boule de glu.
Particules constitutives et charge de couleur
Les études théoriques sur les boules de glu se sont concentrées sur les boules de glu constituées soit de deux gluons, soit de trois gluons, par analogie aux mésons et aux baryons qui ont respectivement deux et trois quarks . Comme dans le cas des mésons et des baryons, les boules de colle auraient une charge de couleur QCD neutre. Le nombre baryonique d'une boule de colle est zéro.
Moment angulaire total
Les boules de colle à double gluon peuvent avoir un moment angulaire total J = 0 (qui sont soit scalaires soit pseudo-scalaires ) ou J = 2 ( tenseur ). Les boules de colle à triple gluon peuvent avoir un moment angulaire total J = 1 ( boson vectoriel ) ou 3 ( boson tenseur de troisième ordre ). Toutes les boules de colle ont un moment angulaire total entier, ce qui implique qu'il s'agit de bosons plutôt que de fermions .
Les boules de colle sont les seules particules prédites par le modèle standard avec un moment angulaire total ( J ) (parfois appelé " spin intrinsèque " ) qui pourrait être 2 ou 3 dans leurs états fondamentaux, bien que les mésons soient constitués de deux quarks avec J = 0 et J = 1 avec des masses similaires ont été observés et les états excités d'autres mésons peuvent avoir ces valeurs de moment cinétique total.
Charge électrique
Toutes les boules de colle auraient une charge électrique de zéro, car les gluons eux-mêmes n'ont pas de charge électrique.
Masse et parité
Les boules de colle sont prédites par la chromodynamique quantique comme étant massives, malgré le fait que les gluons eux-mêmes ont une masse au repos nulle dans le modèle standard. Des boules de colle avec les quatre combinaisons possibles de nombres quantiques P ( parité spatiale ) et C ( parité de charge ) pour chaque moment angulaire total possible ont été considérées, produisant au moins quinze états de boule de colle possibles, y compris des états de boule de colle excités qui partagent les mêmes nombres quantiques mais ont des masses avec les états les plus légers ayant des masses aussi faibles que 1,4 GeV/c 2 (pour une boule de colle avec des nombres quantiques J = 0, P = +1, C = +1, ou de manière équivalente J PC = 0 ++ ), et les états les plus lourds ayant des masses atteignant près de 5 GeV/c 2 (pour une boule de colle avec des nombres quantiques J = 0, P = +1, C = −1 ou J PC = 0 +− ).
Ces masses sont du même ordre de grandeur que les masses de nombreuses observées expérimentalement mésons et baryons , ainsi que les masses du lepton tau , quark , quark , quelques hydrogène isotopes, et quelques hélium isotopes.
Canaux de stabilité et de décroissance
Tout comme tous les mésons et baryons du modèle standard, à l'exception peut-être du proton, sont instables isolément, toutes les boules de colle sont prédites par le modèle standard comme étant instables isolément, avec divers calculs QCD prédisant la largeur de désintégration totale (qui est fonctionnellement liée à la moitié- life) pour divers états de boule de colle. Les calculs QCD font également des prédictions concernant les modèles de décomposition attendus des boules de colle. Par exemple, les boules de colle n'auraient pas de désintégration radiative ou à deux photons, mais auraient des désintégrations en paires de pions , paires de kaons ou paires de mésons êta .
Impact pratique sur la physique macroscopique des basses énergies
Parce que les boules de colle du modèle standard sont si éphémères (se désintègrent presque immédiatement en produits de désintégration plus stables) et ne sont générées que par la physique des hautes énergies, les boules de colle n'apparaissent que synthétiquement dans les conditions naturelles trouvées sur Terre que les humains peuvent facilement observer. Ils sont scientifiquement remarquables principalement parce qu'ils sont une prédiction testable du modèle standard, et non en raison de l'impact phénoménologique sur les processus macroscopiques ou leurs applications d' ingénierie .
Simulations QCD sur réseau
Lattice QCD fournit un moyen d'étudier le spectre de la boule de colle de manière théorique et à partir des premiers principes. Certaines des premières quantités calculées à l'aide des méthodes QCD sur réseau (en 1980) étaient des estimations de masse de boule de colle. Morningstar et Peardon ont calculé en 1999 les masses des boules de colle les plus légères en QCD sans quarks dynamiques. Les trois états les plus bas sont présentés ci-dessous. La présence de quarks dynamiques altérerait légèrement ces données, mais rendrait également les calculs plus difficiles. Depuis lors, les calculs dans QCD (règles de réseau et de somme) trouvent que la boule de colle la plus légère est un scalaire avec une masse comprise entre 1 000 et 1 700 MeV. Les prédictions du réseau pour les boules de colle scalaires et pseudoscalaires, y compris leurs excitations, ont été confirmées par les équations de Dyson-Schwinger/Bethe-Salpeter dans la théorie de Yang-Mills.
| J P ' C | Masse |
|---|---|
| 0 ++ | 1730 ±80 MeV |
| 2 ++ | 2400 ±120 MeV |
| 0 −+ | 2590 ±130 MeV |
Candidats expérimentaux
Les expériences sur les accélérateurs de particules sont souvent capables d'identifier des particules composites instables et d'attribuer des masses à ces particules avec une précision d'environ 10 MeV/c 2 , sans pouvoir attribuer immédiatement à la résonance de particule observée toutes les propriétés de cette particule. Des dizaines de telles particules ont été détectées, bien que les particules détectées dans certaines expériences mais pas dans d'autres puissent être considérées comme douteuses. Certaines des résonances de particules candidates qui pourraient être des boules de colle, bien que les preuves ne soient pas définitives, comprennent les suivantes :
Candidats vecteur, pseudo-vecteur ou boule de colle tenseur
- X(3020) observé par la collaboration BaBar est un candidat pour un état excité des états de boule de colle J PC = 2 −+ , 1 +− ou 1 −− avec une masse d'environ 3,02 GeV/c 2 .
Candidats à la boule de colle scalaire
- f 0 (500) également connu sous le nom de σ - les propriétés de cette particule sont peut-être compatibles avec une boule de colle de masse de 1000 MeV ou 1500 MeV.
- f 0 (980) – la structure de cette particule composite est cohérente avec l'existence d'une boule de colle légère.
- f 0 (1370) - l'existence de cette résonance est contestée mais est un candidat pour un état de mélange boule de colle-méson
- f 0 (1500) - l'existence de cette résonance est incontestée mais son statut d'état de mélange boule de glu-méson ou boule de colle pure n'est pas bien établi.
- f 0 (1710) – l'existence de cette résonance est incontestée mais son statut d'état de mélange boule de glu-méson ou boule de colle pure n'est pas bien établi.
D'autres candidats
- Les jets de gluons de l' expérience LEP montrent un excès de 40 % par rapport aux attentes théoriques d'amas électromagnétiquement neutres, ce qui suggère que des particules électromagnétiques neutres attendues dans des environnements riches en gluons tels que des boules de colle sont susceptibles d'être présentes.
Beaucoup de ces candidats font l'objet d'une enquête active depuis au moins dix-huit ans. L' expérience GlueX a été spécialement conçue pour produire des preuves expérimentales plus définitives des boules de colle.