Le projet Large Hadron Collider Beauty (LHCb) a observé pour la première fois une particule exotique composée de quatre quarks charmés.

La collaboration LHCb a observé un type de particule à quatre quarks jamais vu auparavant. La découverte, présenté lors d'un récent séminaire au CERN et décrit dans un article publié aujourd'hui est probablement le premier d'une classe de particules jusqu'alors inconnue et jamais vue par les physiciens.

Cette découverte aidera les physiciens à mieux comprendre les quarks, un type de particule élémentaire qui est un élément fondamental de toute matière. Les quarks se forment ensemble pour former des particules composites appelées hadrons, qui comprennent les protons et les neutrons. Cette nouvelle découverte révolutionnaire peut maintenant aider les scientifiques à comprendre les manières complexes dont les quarks se lient les uns aux autres pour former ces composites.

Les quarks se combinent généralement en groupes de deux et de trois pour former des hadrons. Depuis des décennies, cependant, les théoriciens ont prédit l'existence de hadrons à quatre et cinq quarks, qui sont parfois décrits comme des tétraquarks et des pentaquarks et ces dernières années, des expériences incluant le LHCb ont confirmé l'existence de plusieurs de ces hadrons exotiques.

Ces particules constituées de combinaisons inhabituelles de quarks sont un "laboratoire" idéal pour étudier l'une des quatre forces fondamentales connues de la nature, l'interaction forte qui lie les protons, les neutrons et les noyaux atomiques qui composent la matière. Une connaissance détaillée de l'interaction forte est également essentielle pour déterminer si de nouvelles, des processus inattendus sont le signe d'une nouvelle physique ou simplement d'une physique standard.

« Les particules composées de quatre quarks sont déjà exotiques, et celui que nous venons de découvrir est le premier à être composé de quatre quarks lourds du même type, spécifiquement deux quarks charmés et deux antiquarks charmés, " déclare le porte-parole sortant de la collaboration LHCb, Giovanni Passaleva. "Jusqu'à maintenant, le LHCb et d'autres expériences n'avaient observé que des tétraquarks avec au plus deux quarks lourds et aucun avec plus de deux quarks du même type.

Porte-parole entrant de LHCb, Chris Parkes de l'Université de Manchester a déclaré :« C'est un grand plaisir et un honneur de prendre la relève en tant que porte-parole de LHCb. La collaboration comprend plus de 1400 membres de 19 pays différents, une communauté qui travaille ensemble pour faire avancer nos objectifs scientifiques. L'Université de Manchester et les dix autres institutions du Royaume-Uni jouent un rôle de premier plan dans la collaboration.

"La découverte d'aujourd'hui ouvre un autre chapitre passionnant dans ce livre scientifique, nous permettant d'étudier notre théorie des particules de matière dans un cas extrême. Cette particule est un cas extrême - c'est un hadron exotique, contenant quatre quarks plutôt que les deux ou trois dans les particules de matière conventionnelles, et le premier à contenir des quarks lourds.

"L'étude d'un système extrême permet aux scientifiques de mettre nos théories à l'épreuve. Grâce à l'étude de cette particule, et l'espoir que nous découvrirons d'autres particules dans cette classe à l'avenir, nous testerons notre théorie sur la façon dont les quarks se combinent, ce qui régit également les protons et les neutrons."

L'équipe LHCb a trouvé le nouveau tétraquark en utilisant la technique de chasse aux particules pour rechercher un excès d'événements de collision, connu sous le nom de "bosse", sur un fond fluide d'événements. En passant au crible les ensembles de données LHCb complets des premier et deuxième essais du Grand collisionneur de hadrons, qui ont eu lieu respectivement de 2009 à 2013 et de 2015 à 2018, les chercheurs ont détecté une bosse dans la distribution de masse des particules, 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 réclamer la découverte d'une nouvelle particule, et il correspond à une masse à laquelle des particules composées de quatre quarks charmés devraient exister.

Comme pour les précédentes découvertes de tétraquarks, il n'est pas tout à fait clair si la nouvelle particule est un "vrai tétraquark", C'est, un système de quatre quarks étroitement liés entre eux, ou une paire de particules à deux quarks faiblement liées dans une structure de type molécule. Dans les deux cas, le nouveau tétraquark aidera les théoriciens à tester des modèles de chromodynamique quantique, la théorie de l'interaction forte.

Le papier, Observation de la structure dans le spectre de masse des paires J/ψ, est publié sur le serveur de préimpression arXiv.