L'interaction forte est l'une des forces fondamentales de la nature, qui lie les quarks en hadrons tels que le proton et le neutron, les éléments constitutifs des atomes. Selon le modèle des quarks, les hadrons peuvent être formés de deux ou trois quarks, appelés respectivement mésons et baryons, et collectivement appelés hadrons conventionnels. Le modèle des quarks permet également l'existence de hadrons dits exotiques, composé de quatre (tétraquarks), cinq (pentaquarks) ou plus quarks. Un riche spectre de hadrons exotiques est attendu tout comme pour les hadrons conventionnels. Cependant, aucun signal univoque de hadrons exotiques n'a été observé jusqu'en 2003, lorsque l'état X(3872) a été découvert par l'expérience Belle. Dans les années suivantes, quelques autres états exotiques ont été découverts. L'explication de leurs propriétés requiert l'existence de quatre quarks constitutifs. L'identification des états du pentaquark est encore plus difficile, et les premiers candidats ont été observés par l'expérience LHCb en 2015. Tous ces états connus contiennent au plus deux quarks lourds, le quark beauté ou charme.

Récemment, en étudiant la distribution de masse invariante de deux mésons J/ψ produits lors de collisions proton-proton à des énergies de centre de masse jusqu'à 13 TeV, la collaboration LHCb a observé deux structures. La structure plus étroite est décrite comme un état hadronique de masse d'environ 6900 MeV/c ² , noté X(6900). Comme le méson J/ψ contient un charme (c) et un quark anticharme (bar{c}), le nouvel état suggère une teneur minimale en quarks de ccbar{c}bar{c}, ce qui en fait un candidat pour les états tétraquarks à quatre charmes. L'autre structure, étant large et proche du double de la masse au repos J/ψ, peut être dû à un autre tétraquark de plus grande largeur ou à une combinaison de plusieurs états de tétraquark qui se chevauchent.

"C'est très excitant de voir la première preuve expérimentale d'un tétraquark à quatre charmes. La composition unique du nouvel état en fait un laboratoire idéal pour mieux comprendre l'interaction forte à l'intérieur des hadrons, " dit le physicien de LHCb travaillant à la section INFN de Florence, Liupan An.

Alors que la chromodynamique quantique (QCD) est la théorie couramment utilisée pour décrire l'interaction forte, la compréhension de la structure interne d'un hadron n'est pas encore possible à partir des calculs de premier principe. Des modèles qui se rapprochent de la QCD sont introduits pour expliquer le mécanisme de liaison des quarks aux hadrons. Dans l'image moléculaire, un état exotique est formé par deux hadrons conventionnels faiblement liés comme le deutéron. La structure moléculaire est actuellement l'interprétation privilégiée des pentaquarks étroits observés par LHCb et l'état X(3872).

Cependant, les états hadroniques constitués uniquement de quarks lourds devraient être étroitement délimités; par exemple, un tétraquark à quatre charmes est généralement considéré comme formé par un cc-diquark et un abar{c}bar{c}-antidiquark s'attirant l'un l'autre. Le modèle cc-diquark a prédit avec succès la masse du baryon Ξcc++ observé par LHCb en 2017. La rediffusation des hadrons connus via l'interaction forte est également possible pour créer des structures qui ressemblent à un état hadronique. La nature des états à quatre charmes nouvellement observés reste à déterminer même si une interprétation compacte du tétraquark est préférée.

"L'observation de LHCb ouvre une nouvelle fenêtre pour les études de spectroscopie hadronique multiquark. D'autres études de physiciens expérimentaux et théoriques permettront de comprendre la nature de l'état à quatre charmes, " dit Yanxi Zhang, travaillant sur l'expérience LHCb à l'Université de Pékin.

"Si l'interprétation des quatre quarks lourds est correcte, un spectre complet de ces états étroitement liés devrait être découvert à partir des données que LHCb sera en mesure de collecter dans un avenir proche. Mesures des masses et largeurs de ces états, qui peut être prédit en QCD avec une précision relativement élevée, fournira un test d'approfondissement de notre compréhension des interactions fondamentales entre les hadrons, " ajoute Giacomo Graziani de l'INFN Florence.

LHCb est l'une des quatre grandes expériences situées dans l'accélérateur de particules le plus puissant au monde, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN. L'expérience LHCb est dédiée aux mesures de précision de particules contenant des quarks de charme ou de beauté, visant à explorer le puzzle de l'asymétrie matière-antimatière, à la recherche de preuves indirectes d'une nouvelle physique, et sonder l'interaction forte. La collaboration se compose de plus de 1400 physiciens et ingénieurs du monde entier.

"C'est un pas en avant important dans l'exploration de la structure interne et de la dynamique des hadrons." a déclaré le professeur Yuanning Gao, leader du groupe chinois LHCb, "L'expérience LHCb a une nouvelle fois démontré sa capacité en spectroscopie d'arômes lourds, et continuera de contribuer à la compréhension de l'interaction forte."

L'interaction forte continue de nous surprendre avec de nouvelles structures et de nouveaux phénomènes après plusieurs décennies de quête et le fera sûrement à nouveau à l'avenir.