Ces états de la matière ou particules se distinguent de tout ce qui relève de l’ordinaire — et donc de l’observable. Souvent, l’exotique est plus difficile à expérimenter et fait partie, à ce stade des connaissances, du domaine de l’hypothèse.

Vous êtes entouré de matière. Une matière tangible, que vous pouvez observer, et qui forge votre réalité spatiale. Elle est faite de particules, lesquelles forment la matière « ordinaire ». Mais peut-il exister d’autres formes de la matière ? Des formes… « exotiques » ? C’est bien là toute une quête de la physique des particules.

La matière ordinaire, ou baryonique

La quasi-totalité de la matière ordinaire est dite « baryonique », car composée de baryons. Les baryons sont des particules composites. « Composites », car elles sont elles-mêmes composées de particules élémentaires. Nous connaissons la composition des particules composites, mais pas celle des particules élémentaires — peut-être sont-elles composées à leur tour de particules encore plus petites non identifiées. En tout cas, on les appelle « élémentaires » en tant que blocs fondamentaux, à notre connaissance, des autres particules.

La composition des baryons est faite de quarks — qui font partie des fameuses particules élémentaires ! — et plus précisément de trois quarks. Les protons et les neutrons font partie des baryons les plus importants de la matière ordinaire.

Sauf que la matière ordinaire ne suffit pas à tout expliquer. Une part importante de l’Univers est faite de matière non baryonique. La physique des particules qualifie d’« exotique » presque tout ce qui, par définition, ne relève pas de la matière ordinaire. Dès que la matière a des propriétés bizarres, elle est exotique.

Des particules et des états de la matière « exotiques »

Le plasma quark-gluons, c’est-à-dire l’état de la matière juste après le Big Bang, dans un univers exceptionnellement dense et chaud, est « exotique » par définition : on ne le retrouve pas habituellement, et il n’est pas simple à générer (il faut utiliser un accélérateur de particules).

Le terme désigne, bien souvent, des états de la matière ou des particules qui sont hypothétiques — que l’on n’a pas expérimentés. Par exemple, le graviton est une particulière élémentaire qui n’a jamais été observée, et qui s’avère donc purement théorique à ce stade. La matière noire, qui n’a jamais été observée directement, mais qui est postulée pour faire tenir le modèle standard de la physique, est postulée comme étant exotique puisqu’elle diffère de la matière ordinaire observable.

Une particule est désignée comme exotique lorsque, contrairement aux protons et aux neutrons, elle ne possède pas le nombre prédit de particules élémentaires. Comme nous le disions précédemment, les protons et les neutrons possèdent trois quarks. Mais les physiciens ont découvert il y a quelques années qu’il pouvait exister des variations : des particules appelées tétraquarks, et qui possèdent donc quatre quarks. En 2021, le CERN a repéré le signal d’un « hadron exotique » de ce type.

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La particule Tcc+ (le grand cercle rouge) contient deux quarks et deux antiquarks (les bulles à l’intérieur, sur l’infographie). // Source : CERN

En 2003, une particule appelée « particule X » a été découverte. Le « X » provient de sa structure qui nous est inconnue. Elle est supposée être furtivement apparue juste après le Big Bang, lorsque l’Univers était un plasma quarks-gluons extrêmement dense et chaud. Mais récemment, en reproduisant un équivalent de cet état de la matière, les physiciens ont pu repérer une centaine de signaux dont les données confirment qu’il s’agirait bel et bien de cette particule X. Il est difficile pour autant de savoir, dès maintenant, quelle est sa structure. Mais ce qui est sûr, c’est qu’il s’agit bien là d’une particule exotique, soit avec un nombre de quarks différent qu’à l’accoutumée, soit une molécule encore plus différente qui serait faite de deux mésons (un seul méson compte deux quarks).

La différenciation entre ordinaire et exotique relève en tout cas d’une distinction importante en physique, en particulier pour distinguer ce que l’on connaît déjà et que l’on peut observer, d’états et de particules plus étranges et qui demandent de creuser davantage.