Le nouveau pentaquark, illustré ici comme une paire de hadrons standard liés de manière lâche dans une structure semblable à une molécule, est composé d'un quark charme et d'un antiquark charme et d'un quark haut, d'un bas et d'un quark étrange. Crédit :CERN
La collaboration internationale LHCb au Large Hadron Collider (LHC) a observé trois particules inédites :un nouveau type de pentaquark et la toute première paire de tétraquarks, qui comprend un nouveau type de tétraquark. Les découvertes, présentées aujourd'hui lors d'un séminaire du CERN, ajoutent trois nouveaux membres exotiques à la liste croissante des nouveaux hadrons découverts au LHC. Ils aideront les physiciens à mieux comprendre comment les quarks se lient pour former ces particules composites.
Les quarks sont des particules élémentaires et se déclinent en six saveurs :haut, bas, charme, étrange, haut et bas. Ils se combinent généralement par groupes de deux ou de trois pour former des hadrons tels que les protons et les neutrons qui composent les noyaux atomiques. Plus rarement, cependant, ils peuvent également se combiner en particules à quatre et cinq quarks, ou « tétraquarks » et « pentaquarks ». Ces hadrons exotiques ont été prédits par les théoriciens en même temps que les hadrons conventionnels, il y a environ six décennies, mais ce n'est que relativement récemment, au cours des 20 dernières années, qu'ils ont été observés par LHCb et d'autres expériences.
La plupart des hadrons exotiques découverts au cours des deux dernières décennies sont des tétraquarks ou des pentaquarks contenant un quark charmé et un antiquark charmé, les deux ou trois quarks restants étant un quark up, down ou étrange ou leurs antiquarks. Mais au cours des deux dernières années, LHCb a découvert différents types de hadrons exotiques. Il y a deux ans, la collaboration a découvert un tétraquark composé de deux quarks charmés et de deux antiquarks charmés, et deux tétraquarks "à charme ouvert" constitués d'un antiquark charmé, d'un quark up, d'un quark down et d'un antiquark étrange. Et l'année dernière, il a trouvé le tout premier exemple d'un tétraquark à « double charme ouvert » avec deux quarks charmés et un antiquark haut et bas. Le charme ouvert signifie que la particule contient un quark charmé sans antiquark équivalent.
Les deux nouveaux tétraquarks, illustrés ici comme des unités uniques de quarks étroitement liés. L'une des particules est composée d'un quark charmé, d'un antiquark étrange et d'un quark up et d'un antiquark down (à gauche), et l'autre est composée d'un quark charmé, d'un antiquark étrange et d'un antiquark up et d'un quark down (à droite) . Crédit :CERN
Les découvertes annoncées aujourd'hui par la collaboration LHCb incluent de nouveaux types de hadrons exotiques. Le premier type, observé lors d'une analyse des "désintégrations" des mésons B chargés négativement, est un pentaquark composé d'un quark charmé et d'un antiquark charmé et d'un quark up, d'un down et d'un quark étrange. C'est le premier pentaquark contenant un quark étrange. La découverte a une signification statistique énorme de 15 écarts-types, bien au-delà des 5 écarts-types nécessaires pour revendiquer l'observation d'une particule en physique des particules.
Le deuxième type est un tétraquark doublement chargé électriquement. Il s'agit d'un tétraquark à charme ouvert composé d'un quark charmé, d'un antiquark étrange, d'un quark up et d'un antiquark down, et il a été repéré avec son homologue neutre dans une analyse conjointe des désintégrations de mésons B chargés positivement et neutres. Les nouveaux tétraquarks, observés avec une signification statistique de 6,5 (particule doublement chargée) et 8 (particule neutre) écarts-types, représentent la première fois qu'une paire de tétraquarks a été observée.
"Plus nous effectuons d'analyses, plus nous trouvons de types de hadrons exotiques", explique Niels Tuning, coordinateur physique de LHCb. "Nous assistons à une période de découverte similaire aux années 1950, lorsqu'un 'zoo de particules' de hadrons a commencé à être découvert et a finalement conduit au modèle quark des hadrons conventionnels dans les années 1960. Nous créons le 'zoo de particules 2.0'".
"Trouver de nouveaux types de tétraquarks et de pentaquarks et mesurer leurs propriétés aidera les théoriciens à développer un modèle unifié de hadrons exotiques, dont la nature exacte est largement inconnue", déclare Chris Parkes, porte-parole de LHCb. "Cela aidera également à mieux comprendre les hadrons conventionnels."
Alors que certains modèles théoriques décrivent les hadrons exotiques comme des unités uniques de quarks étroitement liés, d'autres modèles les envisagent comme des paires de hadrons standard liés de manière lâche dans une structure semblable à une molécule. Seuls le temps et d'autres études sur les hadrons exotiques diront si ces particules sont l'une, l'autre ou les deux. Découverte d'une nouvelle particule de matière exotique, un tétraquark
