Toutes les particules jamais découvertes étaient faites de matière : des quarks et des leptons, reliés entre eux par des forces. Le 5 août, lors de la Conférence internationale sur la physique des hautes énergies, au Brésil, une expérience a annoncé ce que la physique a fait de plus proche d’une entorse à cette règle. La collaboration BESIII, auprès du collisionneur électron-positon de Pékin, a rapporté que le constituant dominant d’une particule nommée X(2370) est un glueball, un objet entièrement fait de porteurs de force, sans aucune matière à l’intérieur. Ce résultat, construit sur 15 ans de données et 10 milliards de désintégrations de particules, a été salué par des physiciens aux États-Unis, en Israël et ailleurs comme l’aboutissement d’une recherche qui dure depuis un demi-siècle : la première observation de matière faite de force pure.
La prédiction est aussi étrange que tout ce que contient le modèle standard. La force forte qui lie les quarks à l’intérieur des protons et des neutrons est portée par des particules appelées gluons, de la même manière que la force électromagnétique est portée par les photons. Mais l’analogie s’arrête là. Les photons ne portent aucune charge électrique, ils se traversent donc sans interagir. Les gluons portent une charge qui leur est propre, appelée couleur, et dans les mathématiques de la chromodynamique quantique, la théorie de la force forte, cette charge fait que les gluons s’attirent les uns les autres. Deux gluons peuvent se lier pour former une particule qui ne contient que des gluons. La structure non abélienne de la théorie, la propriété qui rend cela possible, a été validée à hautes énergies dans les années 1970 par la liberté asymptotique, la découverte selon laquelle la force forte s’affaiblit à courte distance, pour laquelle David Gross, Frank Wilczek et David Politzer se sont partagé le prix Nobel de 2004. Le glueball est le test à basse énergie de cette même théorie : si les gluons peuvent se lier entre eux, la chromodynamique quantique a raison dans un régime qu’aucune autre mesure n’a atteint.
La recherche a été longue parce que le gibier est insaisissable. La QCD sur réseau, qui simule la théorie sur une grille discrète, prédit le glueball pseudoscalaire le plus léger, la version à spin nul et parité négative, à une masse comprise entre 2,3 et 3,0 GeV/c², et le X(2370), à 2 376 MeV/c², se situe confortablement dans cette fourchette. Mais un glueball pur n’existe pas dans le monde réel. La chromodynamique quantique inclut des quarks, et un glueball se mélange aux états quark-antiquark ; des décennies de candidats, le plus célèbre étant l’état scalaire f0(1710), n’ont donc jamais produit de particule dont l’identité était sans ambiguïté. Le domaine avait besoin d’un objet dont chaque propriété mesurée pointait dans la même direction.
Le X(2370) a été découvert à BESIII en 2011 dans les désintégrations radiatives de la particule J/ψ, un état charme-anticharme dont les désintégrations créent un environnement riche en gluons, idéal pour produire des glueballs. La première observation présentait une signification statistique supérieure à 6,4σ. En 2024, à partir de 10 milliards d’événements J/ψ, la collaboration a établi la spin-parité de la particule comme étant 0⁻⁺, ce qui correspond à la prédiction du glueball pseudoscalaire avec une signification supérieure à 9,8σ. Le nouveau résultat clôt le dossier grâce à la propriété la plus importante : le X(2370) est un singulet de saveur, ce qui signifie qu’il ne porte aucune saveur de quark. La preuve est une absence élégante. Un méson singulet de saveur doté de ces nombres quantiques est interdit, par une symétrie appelée G-parité généralisée, de se désintégrer en K*(892)K̄, et BESIII a constaté que cette désintégration est supprimée en dessous de 2,7 x 10⁻⁶, ce qui correspond à une largeur partielle inférieure à 2 MeV, bien en dessous des 15 à 200 MeV qu’un état de quark ordinaire présenterait. La particule refuse également de se désintégrer en états contenant des mésons oméga ou phi, qui portent les signatures de saveur des quarks up, down et étranges. Elle se comporte, dans chaque canal, exactement comme une particule faite de force pure devrait le faire.
Le choix des mots de l’annonce compte : la collaboration BESIII déclare que le glueball est le constituant dominant du X(2370), et non que le X(2370) est un glueball pur. C’est la déclaration la plus forte que la théorie permette. Parce que les quarks existent, chaque candidat glueball observé est un mélange, et les calculs sur réseau montrent que même un angle de mélange minuscule, de deux à cinq degrés avec l’état charmonium, peut augmenter considérablement le taux de production de la particule tout en laissant son schéma de désintégration essentiellement celui d’un glueball. Chaque interprétation alternative, l’excitation êta-êta-prime, les états quark-antiquark ordinaires, les configurations multiquarks et hybrides, même un baryonium de type proton-antiproton, échoue sur au moins une des propriétés mesurées. La prépublication affirme qu’une composante glueball dominante est essentielle pour une explication naturelle et complète, et que les autres interprétations sont défavorisées.
Cette réussite repose aussi sur une physique expérimentale patiente. Le collisionneur électron-positon de Pékin a été modernisé en 2008 avec la chasse au glueball comme objectif déclaré, et BESIII a depuis accumulé plus de 10 milliards de désintégrations J/ψ, le plus grand échantillon au monde dans la région d’énergie tau-charme. La collaboration, dirigée par des chercheurs chinois, est internationale, et le résultat a été publié en prépublication sur arXiv et présenté lors d’une séance plénière spéciale à l’ICHEP, la publication dans une revue devant suivre. Les spéculations sur un prix Nobel qui ont accompagné l’annonce sur les réseaux sociaux sont exactement cela, des spéculations ; ce que la communauté des physiciens célèbre, c’est une prédiction confirmée après cinquante ans.
L’histoire ne s’arrête pas avec le X(2370). Le glueball pseudoscalaire fait partie d’une famille, et ses frères, les glueballs scalaires et tensoriels, restent encore à identifier. Les méthodes qui ont permis d’identifier celui-ci, la combinaison de la masse, des nombres quantiques, du taux de production et des canaux de désintégration qui restent silencieux là où des états de quarks ordinaires se désintégreraient, fournissent désormais le modèle pour les trouver. Un demi-siècle après que les théoriciens ont compris pour la première fois que la force pouvait se lier à la force, la particule faite de force pure est apparue, et avec elle, une nouvelle forme de matière à étudier.
Traduit par Lydie
Sources : BESIII Collaboration. Lightest 0⁻⁺ glueball as dominant constituent of X(2370). arXiv:2607.20366 [hep-ex], 22 juillet 2026 ; Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, 6 août 2026 ; Xinhua, 6 août 2026 ; Phys.org/CAS, 6 août 2026 ; South China Morning Post, 9 août 2026.