L'expérience LHCb au CERN a développé un penchant pour la découverte de combinaisons exotiques de quarks, les particules élémentaires qui se rassemblent pour nous donner des particules composites telles que le proton et le neutron plus familiers. En particulier, LHCb a observé plusieurs tétraquarks, lequel, comme le nom le suggère, sont constitués de quatre quarks (ou plutôt de deux quarks et de deux antiquarks). L'observation de ces particules inhabituelles aide les scientifiques à faire progresser nos connaissances sur la force forte, l'une des quatre forces fondamentales connues dans l'univers. Lors d'un séminaire du CERN qui s'est tenu virtuellement le 12 août, LHCb a annoncé les premiers signes d'un tout nouveau type de tétraquark d'une masse de 2,9 GeV/c² :la première particule de ce type avec un seul quark charme.

Prévu pour la première fois en 1964, les scientifiques ont observé six types de quarks (et leurs homologues antiquarks) en laboratoire :up, vers le bas, charme, étrange, haut et bas. Comme les quarks ne peuvent exister librement, ils se regroupent pour former des particules composites :trois quarks ou trois antiquarks forment des "baryons" comme le proton, tandis qu'un quark et un antiquark forment des « mésons ».

Le détecteur LHCb du Large Hadron Collider (LHC) est dédié à l'étude des mésons B, qui contiennent soit un fond, soit un anti-fond. Peu de temps après avoir été produit dans des collisions proton-proton au LHC, ces mésons lourds se transforment - ou "se désintègrent" - en une variété de particules plus légères, qui peuvent subir d'autres transformations elles-mêmes. Les scientifiques de LHCb ont observé des signes du nouveau tétraquark dans l'une de ces désintégrations, dans lequel le méson B chargé positivement se transforme en un méson D positif, un méson D négatif et un kaon positif :B ⁺ →D ⁺ ré ⁻ K ⁺ . Au total, ils ont étudié environ 1 300 candidats pour cette transformation particulière dans toutes les données que le détecteur LHCb a enregistrées jusqu'à présent.

Le modèle des quarks bien établi prédit que certains des D ⁺ ré ⁻ paires dans cette transformation pourraient être le résultat de particules intermédiaires - comme le méson ψ (3770) - qui ne se manifestent que momentanément :B ⁺ →ψ(3770)K ⁺ →D ⁺ ré ⁻ K ⁺ . Cependant, la théorie ne prédit pas les intermédiaires de type méson résultant en un D ⁻ K ⁺ paire. LHCb a donc été surpris de voir une bande claire dans leurs données correspondant à un état intermédiaire se transformant en un D ⁻ K ⁺ paire à une masse d'environ 2,9 GeV/c², soit environ trois fois la masse d'un proton.

Les données ont été interprétées comme le premier signe d'un nouvel état exotique de quatre quarks :un anticharme, un haut, un duvet et un anti-étrange (c̄uds̄). Tous les états antérieurs de type tétraquark observés par LHCb avaient toujours une paire charme-anticharme, résultant en un "saveur de charme" net-zéro. L'état nouvellement observé est la première fois qu'un tétraquark contenant un seul charme a été vu, qui a été surnommé un tétraquark « à charme ouvert ».

« Quand nous avons vu pour la première fois l'excès de nos données, nous pensions qu'il y avait une erreur, " dit Dan Johnson, qui a dirigé l'analyse LHCb. "Après des années d'analyse des données, nous avons accepté qu'il y ait vraiment quelque chose de surprenant !"

Pourquoi est-ce important? Il se trouve que le jury ne sait toujours pas ce qu'est vraiment un tétraquark. Certains modèles théoriques privilégient l'idée que les tétraquarks sont des paires de mésons distincts liés ensemble temporairement en tant que « molécule, " tandis que d'autres modèles préfèrent les considérer comme une seule unité cohésive de quatre particules. Identifier de nouveaux types de tétraquarks et mesurer leurs propriétés, comme leur spin quantique (leur orientation spatiale intrinsèque) et leur parité (comment ils apparaissent sous un miroir) comme la transformation) - aidera à brosser un tableau plus clair de ces habitants exotiques du domaine subatomique. Johnson ajoute:"Cette découverte nous permettra également de tester nos théories dans un domaine entièrement nouveau."

Alors que l'observation de LHCb est une première étape importante, plus de données seront nécessaires pour vérifier la nature de la structure observée dans le B ⁺ carie. La collaboration LHCb anticipera également une vérification indépendante de leur découverte à partir d'autres expériences dédiées à la physique B telles que Belle II. Pendant ce temps, le LHC continue de fournir des résultats nouveaux et passionnants pour les expérimentateurs et les théoriciens.