La collaboration LHCb a repéré une nouvelle particule. Sa masse et d'autres propriétés le placent carrément dans la famille du charmonium qui comprend la particule J/ψ mieux connue, qui a été la première particule contenant un "quark charme" à être découverte et a valu à ses découvreurs un prix Nobel de physique. De futures études sur les propriétés de ce nouvel état charmonium et de ses proches aideront les physiciens à mieux comprendre la force puissante qui lie les quarks entre eux, parmi les plus petites particules que nous connaissons.

Les particules de charmonium sont des particules à deux quarks (appelées mésons) composées d'un quark charmé et de son homologue antimatière, le charme antiquark. Les quarks charm sont le troisième plus massif des six types de quarks. Tout comme les atomes, les mésons peuvent être observés dans des états excités d'énergie plus élevée, dans lequel les quarks constitutifs des mésons se déplacent les uns autour des autres dans différentes configurations. Ces différentes dispositions donnent naissance à une gamme de particules de masses et de propriétés quantiques différentes telles que le spin, qui peut être considéré comme la rotation d'un système autour de son axe.

L'observation de tels états excités et la mesure de leurs propriétés permettent de tester des modèles de chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui décrit comment les quarks sont collés ensemble dans des particules composites. Quoi de plus, la connaissance de la collection complète de ces états permet d'identifier les états exotiques avec plus de trois quarks, comme les tétraquarks, qui sont également prédites par QCD mais n'ont été découverts que récemment. Si tous les états excités sont pris en compte, les physiciens peuvent être plus sûrs que ceux qui restent sont exotiques.

Pour attraper la nouvelle particule de charmonium, la collaboration LHCb, l'une des quatre principales expériences du Grand collisionneur de hadrons, étudié les désintégrations des états charmonium produits dans les collisions proton-proton en paires de mésons D, à partir des données enregistrées entre 2011 et 2018; Les mésons D sont les particules les plus légères contenant des quarks charmés. La collaboration a mesuré la plage de masses des paires de mésons D, puis a additionné le nombre de fois où elles ont enregistré chaque valeur de masse dans la plage mesurée. Ils ont alors cherché un excès d'événements, ou bosse, dans cette distribution de masse, et trouvé un nouveau, pic étroit à une masse qui correspond à un état charmonium précédemment inobservé surnommé le ψ3(1D). La particule a une valeur de spin de 3, ce qui en fait la première observation d'un état charmonium spin-3. La valeur de spin élevée pourrait expliquer la faible largeur du pic et le fait qu'il a fallu si longtemps pour le trouver.