Les physiciens de la Collaboration LHCb du CERN ont découvert une nouvelle particule tétraquark, nommée X(6900), composée de deux quarks de charme et de deux antiquarks de charme.
X(6900), une particule tétraquark composée de deux quarks de charme et de deux antiquarks de charme. Crédit image : CERN.
Les quarks sont des particules élémentaires ponctuelles qui se présentent généralement en paquets de deux (mésons) ou de trois (baryons), dont les plus familiers sont le proton et le neutron — chacun est composé de trois quarks.
Il existe six types — ou saveurs — de quarks au choix: haut, bas, étrange, charme, bas et haut. Chacun de ceux-ci a également une contrepartie d’antimatière.
Dans leurs articles fondamentaux de 1964, les physiciens américains Murray Gell-Mann et George Zweig ont proposé le modèle de quark et ont mentionné la possibilité d’ajouter une paire quark-antiquark à une configuration minimale de quarks de méson ou de baryons pour former des tétra- et des pentaquarks.
Il a cependant fallu 50 ans aux physiciens pour obtenir des preuves expérimentales sans ambiguïté de l’existence de ces particules exotiques.
En avril 2014, la Collaboration LHCb a publié des mesures démontrant que la particule Z(4430)+ est composée de quatre quarks.
Un an plus tard, les physiciens du LHCb ont rapporté l’observation de deux pentaquarks, Pc(4450)+ et Pc(4380)+.
« Les particules composées de quatre quarks sont déjà exotiques, et celle que nous venons de découvrir est la première à être composée de quatre quarks lourds du même type, en particulier deux quarks de charme et deux antiquarks de charme », a déclaré le Dr Giovanni Passaleva, porte-parole sortant de la Collaboration LHCb.
» Jusqu’à présent, le LHCb et d’autres expériences n’avaient observé que des tétraquarks avec deux quarks lourds au maximum et aucun avec plus de deux quarks du même type. »
L’équipe du LHCb a trouvé le tétraquark X(6900) en utilisant la technique de chasse aux particules consistant à rechercher un excès d’événements de collision, connu sous le nom de » bosse « , sur un fond lisse d’événements.
En passant au crible les ensembles de données LHCb complets des première et deuxième séries du Grand Collisionneur de Hadrons, qui ont eu lieu respectivement de 2009 à 2013 et de 2015 à 2018, ils ont détecté une bosse dans la distribution de masse d’une paire de particules J/ψ, qui se composent d’un quark charm et d’un antiquark charm.
La bosse a une signification statistique de plus de cinq écarts types, le seuil habituel pour revendiquer la découverte d’une nouvelle particule, et elle correspond à une masse à laquelle des particules composées de quatre quarks de charme sont prévues pour exister.
« Ces particules lourdes exotiques fournissent des cas extrêmes et pourtant théoriquement assez simples avec lesquels tester des modèles qui peuvent ensuite être utilisés pour expliquer la nature des particules de matière ordinaires, comme les protons ou les neutrons », a déclaré le Dr Chris Parkes, porte-parole de la Collaboration LHCb.
» Il est donc très excitant de les voir apparaître pour la première fois dans des collisions au Grand Collisionneur de Hadrons. »
La découverte est décrite dans un article publié sur le arXiv.org serveur de préimpression.
R. Aaij et al (Collaboration LHCb). 2020. Observation de la structure dans le spectre de masse de la paire J/ψ. CERN-EP-2020-115, LHCb-PAPER-2020-011; arXiv: 2006.16957