Aujourd'hui, l'expérience LHCb au CERN a présenté une mesure des masses de deux particules particulières avec une précision sans précédent dans un collisionneur de hadrons pour ce type de particules. Jusqu'à maintenant, l'étude précise de ces particules de « charmonium », source inestimable d'informations sur le monde subatomique, nécessitait la construction d'expériences dédiées.

« Grâce à ce résultat, la collaboration LHCb ouvre une nouvelle voie aux mesures de précision des particules de charmonium dans les collisionneurs de hadrons, ce qui était inattendu par la communauté des physiciens", dit Giovanni Passaleva, Porte-parole de la collaboration LHCb. En effet, ce type de mesure semblait impossible jusqu'à récemment.

Les deux particules, c1 et χc2, sont des états excités d'une particule mieux connue appelée J/ψ. Un état excité est une particule qui a une énergie interne plus élevée, à savoir une masse, que la configuration minimale absolue autorisée. Le méson J/ψ et ses états excités, également appelé charmonium, sont formés par un quark charmé et son correspondant antimatière, un antiquark de charme, liés par la force nucléaire puissante. L'observation révolutionnaire J/ψ en novembre 1974 a déclenché des changements rapides dans la physique des hautes énergies à l'époque, et a valu à ses découvreurs le prix Nobel de physique. Tout comme les atomes ordinaires, un méson peut être observé dans des états excités où les deux quarks se déplacent l'un autour de l'autre dans des configurations différentes, et à cause de la célèbre équivalence d'énergie et de masse d'Einstein, après un petit laps de temps, ils peuvent disparaître et se transformer en d'autres particules de masses inférieures. L'expérience LHCb étudiée, pour la première fois, la transformation particulière des mésons χc1 et c2 se désintégrant en une particule J/ψ et une paire de muons afin de déterminer très précisément certaines de leurs propriétés.

Des études antérieures de χc1 et c2 dans des collisionneurs de particules ont exploité un autre type de désintégration de ces particules, comportant un photon dans l'état final au lieu d'une paire de muons. Cependant, mesurer l'énergie d'un photon est expérimentalement très difficile dans l'environnement hostile d'un collisionneur de hadrons. En raison des capacités spécialisées du détecteur LHCb dans la mesure des trajectoires et des propriétés des particules chargées comme les muons, et en exploitant le vaste ensemble de données accumulées au cours des premier et deuxième cycles du LHC jusqu'à fin 2016, il a été possible d'observer les deux particules excitées avec une excellente résolution en masse. En exploitant cette nouvelle désintégration avec deux muons à l'état final, les nouvelles mesures des masses et largeurs naturelles χc1 et χc2 ont une précision similaire et sont en bon accord avec celles obtenues lors d'expériences dédiées précédentes qui ont été construites avec une approche expérimentale spécifique très différente de celle utilisée dans les collisionneurs.

"Non seulement nous ne sommes plus obligés de recourir à des expériences spécialement conçues pour de telles études, " poursuit Passaleva, "mais aussi, dans le futur proche, nous pourrons penser à appliquer une approche similaire pour l'étude d'une classe similaire de particules, connu sous le nom de bottomonium, où les quarks de charme sont remplacés par des quarks de beauté." Ces nouvelles mesures, ainsi que de futures mises à jour avec de plus grands ensembles de données de collisions accumulées au LHC, permettra de nouveaux, des tests rigoureux des prédictions de la chromodynamique quantique (QCD), qui est la théorie qui décrit le comportement de la force nucléaire forte, contribuer au défi de comprendre pleinement les caractéristiques insaisissables de cette interaction fondamentale de la nature.