Au cours du XXe siècle, les physiciens ont découvert de nombreuses particules élémentaires. La plus grande famille de ces particules sont les soi-disant hadrons, des particules subatomiques qui participent à des interactions fortes.

Cette large famille de particules contient de nombreux sous-ensembles de particules aux propriétés similaires. En 1964, M. Gell-Mann et G. Zweig ont introduit une théorie renommée connue sous le nom de "Modèle Quark", qui décrivait clairement la structure interne des hadrons.

Le modèle des quarks suggère que les hadrons sont constitués soit de trois quarks (baryons), soit de paires quark-antiquark (mésons). Bien que de nombreux hadrons non couverts entrent dans l'une de ces deux catégories, le modèle suppose également l'existence de hadrons avec des structures plus complexes, tels que les pentaquarks (c'est-à-dire quatre quarks et un antiquark) et les tétraquarks (c'est-à-dire deux paires quark-antiquark).

De nombreuses études dans les années 1970 ont théorisé sur les mécanismes possibles sous-tendant la formation de ces structures hadroniques complexes. Tous les hadrons découverts jusqu'en 2003 avaient des structures qui correspondent à l'un des deux principaux types décrits par le modèle Quark, mais certaines des particules observées après cette date sont difficiles à expliquer à l'aide du modèle.

L'expérience LHCb est un détecteur du Grand collisionneur de hadrons du CERN dont l'objectif principal est de dévoiler les différences entre la matière et l'antimatière en étudiant un type spécifique de particule, connu sous le nom de « quark de beauté ». La collaboration LHCb, le grand groupe de chercheurs impliqués dans l'expérience, a récemment observé un tétraquark exotique avec une structure inhabituelle, contenant deux quarks charmés.

"La découverte du quark charmé lourd en 1974 (observation des mésons J/ψ en 1974, souvent appelée "révolution de novembre") et du quark beauté encore plus lourd en 1977, a conduit à la reconnaissance que les tétraquarks constitués de deux quarks lourds et de deux quarks légers les antiquarks pourraient avoir des propriétés intéressantes et inhabituelles", a déclaré Vanya Belyaev, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Cependant, les installations expérimentales adaptées à la recherche et à l'étude de ces objets "doubles lourds" ne sont apparues qu'au 21e siècle, avec le démarrage du Grand collisionneur de hadrons au CERN."

Au collisionneur LHC, les physiciens peuvent étudier les collisions entre protons à très haute énergie, qui favorisent la production de nombreuses particules lourdes et doubles lourdes. En 2011 et 2012, la collaboration LHCb a analysé une infime partie des données collectées au LHC et a découvert que la probabilité de la production simultanée de deux paires de quarks charme-anticharm à ces hautes énergies était loin d'être faible, suggérant que le collisionneur pourrait permettre l'observation d'objets lourds doubles.

"Avec plus de données, en 2017, la collaboration LHCb a rapporté une observation du baryon à double charme Ξ_cc ⁺⁺ composé des deux quarks charmés et du quark u léger", a expliqué Belyaev. "Avec cette observation, il est devenu clair que si des tétraquarks à double charme existent, leur observation ne serait qu'une question de temps."

Suite à l'observation par LHCb du baryon double charme Ξ_cc ⁺⁺ , M.Karliner et J.Rosner ont pu utiliser ses propriétés mesurées pour prédire avec précision les propriétés qu'aurait un tétraquark hypothétique. Un tel tétraquark serait composé de deux quarks charmés, un antiquark u et un antiquark d. La particule théorique a été nommée T_cc ⁺ .

"Les propriétés prédites du T_cc ⁺ tétraquark implique que la particule se présentera comme un pic étroit dans la distribution de masse pour la paire de mésons charmés D ^*+ et D ⁰ , où D ^*+ et D ⁰ sont des mésons charmés conventionnels constitués de (quark charmé et anti-quark d) et (quark charmé et anti-quark u)", a déclaré Belyaev. "Il est intéressant de noter que la masse prédite du T_{cc ⁺ le tétraquark est très proche de la somme des masses du D ^*+ et D ⁰ mésons, ce qui signifie également que si la masse est juste inférieure de 1 % à la valeur prédite, les propriétés du Tcc ⁺ sera très différent et ne sera pas visible en J ^*+ et D ⁰ spectre de masse. Si la masse ne sera que de 5 % supérieure, le pic sera large (voire très large) et il sera très difficile, voire impossible, de l'observer expérimentalement."}

Essentiellement, les travaux de M. Karliner et J. Rosner ont identifié les conditions exactes qui conviendraient pour observer l'hypothétique T_cc ⁺ tétraquark. Leurs prédictions ont finalement guidé les travaux récents de la collaboration LHCb.

Dans leur étude, la collaboration a soigneusement étudié le spectre de masse du D ^*+ et D ⁰ paires de mésons, en utilisant un ensemble de données contenant toutes les données accumulées au collisionneur LHC de 2011 à 2018. Dans leur analyse précédente, menée en 2012, les chercheurs n'avaient utilisé que 4 % des données disponibles aujourd'hui pour étudier la région des masses relativement importantes de D ^*+ et D ⁰ paires.

Dans leur nouvelle analyse, ils se sont spécifiquement concentrés sur la région des masses la plus proche de la somme des D ^*+ et D ⁰ masses de mésons. Dans cette région, ils ont observé plus d'une centaine de signaux T_cc ⁺ tétraquarks qui forment un pic étonnamment étroit très proche de la somme des D ^*+ et D ⁰ masses de mésons avec une signification statistique écrasante.

"La signification statistique que nous avons observée est si élevée qu'elle exclut totalement que le signal observé soit une fluctuation statistique", a expliqué Belyaev. "Depuis le J ^*+ le méson est constitué d'un quark charmé et d'un quark anti-d, et D ⁰ méson se compose d'un quark charmé et d'un anti-u-quark, il fixe le contenu minimal en quarks de celui observé comme deux quarks charmés, l'anti-d-quar et l'anti-u-quark."

La collaboration LHCb a ensuite réalisé de nombreux tests pour valider leurs résultats. Tous ces tests ont confirmé que le signal observé était associé à un T_cc ⁺ tétraquark. Enfin, ils ont mesuré la masse du T_cc ⁺ tétraquark et la largeur de son pic.

"Selon les lois de la mécanique quantique, la largeur du pic est liée à la durée de vie inverse de la particule, et nous avons constaté que la largeur correspond à une très longue durée de vie, l'une des plus grandes pour les particules qui se désintègrent en raison d'interactions fortes. et le plus long de tous les hadrons exotiques trouvés jusqu'à présent", a déclaré Belyaev. "Dans un certain sens, T_cc ⁺ est Mathusalem des hadrons exotiques."

Les chercheurs ont récemment mené une étude de suivi, présentée dans Nature Communications , explorant davantage les propriétés du T_cc ⁺ particule. Dans cet article, ils ont montré que le modèle de décroissance est cohérent avec T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ . Ils ont également vérifié la distribution de la masse de D ⁰ D ⁰ et D ⁺ D ⁰ paires et a constaté que les améliorations de ces spectres sont très bien cohérentes avec les désintégrations T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ avec π ⁺ manquant méson et T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁺ π ⁰ /γ)D ⁰ avec π ⁰ manquant /γ.

"Nous n'avons pas encore mesuré les nombres quantiques du T_cc ⁺ particules directement, mais nous avons proposé des arguments solides à l'appui du spin total J et de la parité P de la particule observée, qui sont les nombres quantiques les plus importants, sont J ^P =1 ⁺ , en parfait accord avec les attentes", a déclaré Belyaev. "Pour sonder un autre nombre quantique important, l'isospin, nous avons étudié les spectres de masse pour le D ⁰ D ⁰ , D ⁺ D ⁰ , D ⁺ D ⁺ , D ⁺ D ^*+ paires, recherchant des contributions possibles des partenaires isospin hypothétiques. Ils n'ont trouvé aucun signe suggérant que l'isospin du T_cc nouvellement observé ⁺ l'état est 0, en accord avec les prédictions."

Le T_cc ⁺ tétraquark observé par la collaboration LHCb pourrait avoir au moins deux structures internes différentes. Par exemple, il pourrait avoir une "structure de type moléculaire", où deux quarks charmés sont séparés par une grande distance, comparable à la taille du noyau atomique, une "structure compacte", où la distance entre les deux quarks charmés est considérablement plus petit, ou une combinaison des deux.

Dans leur récent article de suivi, l'équipe a utilisé un modèle sophistiqué pour déterminer ce que pourrait être cette structure et a mesuré les propriétés fondamentales du T_cc ⁺ état, y compris la longueur de diffusion, la portée effective et la position des pôles, qui sont importantes pour déterminer la structure interne d'une particule. Les valeurs mesurées par les chercheurs sont compatibles avec une structure de type moléculaire, mais cela reste à confirmer.

L'observation de la collaboration LHCb sur le T_cc ⁺ tetraquark est une contribution significative au domaine de la physique des hautes énergies et des particules. En fait, cela a déjà suscité d'importantes discussions théoriques sur la nature de T_cc ⁺ , des états de type moléculaire apparentés, tels que l'énigmatique X(3872), et le problème général de l'existence des "tétraquarks compacts".

Dans ses futures études, la collaboration prévoit de tenter de déterminer directement les nombres quantiques du nouvel état, car jusqu'à présent, ils n'en ont obtenu que des preuves solides, mais indirectes.

"Il est très important de comprendre le mécanisme de production du T_cc ⁺ dans une collision proton-proton", a ajouté Belyaev. "Actuellement, nous avons des observations contre-intuitives - certaines distributions, comme l'impulsion transverse et la multiplicité des trajectoires, sont vraiment déroutantes et davantage de données sont nécessaires pour la résolution. Il sera très intéressant de comparer la production du T_cc ⁺ et Ξ_cc ⁺⁺ particules - ici un certain niveau de similitude est attendu, mais aussi pour comparer les propriétés, y compris les propriétés de production, du T_cc ⁺⁺ particule et une particule énigmatique X(3872)." + Explorez plus loin

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