Dans un article récent, publié dans Physical Review Letters , la collaboration CMS a signalé trois structures exotiques de quarks tout lourds. Ces structures, qui semblent faire partie d'une famille commune, pourraient ouvrir de nouvelles voies intéressantes pour la recherche en physique des particules.

"Presque tout ce que nous expérimentons dans notre vie quotidienne est constitué de trois particules :des électrons, des protons et des neutrons", a déclaré à Phys.org le professeur Kai Yi de l'Université normale de Nanjing et de l'Université Tsinghua, co-auteur de l'article. . "Les électrons, autant que nous le sachions, sont fondamentaux, mais les deux autres sont constitués de triplets de choses appelées quarks. Le modèle des particules par les quarks a été proposé en 1964 et, au début des années 1970, il existait des preuves irréfutables de son exactitude."

Le modèle introduit en 1964 décrit les quarks comme des particules étroitement liées, si fortement connectées qu'elles ne peuvent pas exister seules et sont plutôt observées uniquement sous forme de triplets de quarks liés (qqq) ou de quark-antiquark (qq ^- ) les pourpoints. Les physiciens ont identifié un grand nombre de ces systèmes de quarks étroitement liés, également appelés « hadrons ».

"Il existe un très grand nombre de ces systèmes de quarks, mais mis à part le proton et le neutron, ils n'ont qu'une existence éphémère", a expliqué le professeur Yi. "La théorie des quarks de 1964 avait une faille, selon laquelle peut-être, juste peut-être, des quatuors et des quintettes de quarks pourraient également former des particules, appelées hadrons "exotiques". Les physiciens ont joué avec cette possibilité pendant des décennies, mais c'était une sorte de marge. activité."

Pendant longtemps, l’observation de hadrons exotiques est apparue comme un objectif de recherche difficile et insaisissable. L'une des raisons à cela est que les outils expérimentaux disponibles permettaient uniquement aux physiciens de rechercher des systèmes exotiques entièrement composés de quarks légers (u, d, s), difficiles à distinguer des hadrons normaux.

"Au fur et à mesure que des collisionneurs de particules plus puissants devenaient disponibles, les systèmes incorporant des quarks (c, b) plus lourds sont apparus de mieux en mieux - et plus le quark était lourd et plus il y en avait, plus le système devenait facile à comprendre", a déclaré le professeur Yi. "Un seul quark charm (c) a une masse environ une fois et demie celle d'un proton, et un quark bottom (b) est environ cinq fois plus lourd qu'un proton, alors que les quarks u et d individuels sont inférieurs à environ 0,5% de la masse d'un proton."

En 2003, un article de la Belle Collaboration au Japon a suscité un nouvel intérêt pour les systèmes exotiques, en dévoilant X(3872), qui a été proposé comme possible cc ^- qq ^- système (c’est-à-dire un système contenant deux quarks lourds). Cela a ouvert la voie à de nouvelles études introduisant d'autres hadrons candidats exotiques contenant des quarks charmés et même des quarks bottom, faisant allusion à l'existence de systèmes tétra- et penta-quarks.

Malgré ces efforts, la structure interne des hadrons exotiques reste un mystère, car les systèmes signalés incluent des quarks légers et sont donc intrinsèquement difficiles à modéliser. L'observation de systèmes constitués uniquement de quarks lourds pourrait ainsi ouvrir une nouvelle fenêtre sur des structures exotiques, permettant aux physiciens de mieux comprendre les interactions fortes entre quarks.

"Le problème avec les quarks lourds est qu'ils sont difficiles à fabriquer", a déclaré le professeur Yi. "Un pas dans cette direction consiste à trouver des systèmes dans lesquels les quarks u ou d sont remplacés par le quark s. Bien que toujours considéré comme un quark léger, le quark s a une masse environ 40 fois supérieure à celle du quark u. En 2009, cela a été accompli avec la découverte de Y(4140), maintenant appelé chi_c(4140), qui est candidat à un cc ^- ss ^- tétra-quark (c'est-à-dire le premier candidat exotique sans aucun des quarks très légers (u, d).)"

La découverte de chi_c(4140) a encouragé davantage d'équipes de recherche à rechercher des structures entièrement composées de quarks c et d. Après que l'existence de ce système ait été confirmée, CMS a également commencé à rechercher des systèmes qui se désintègrent en paires de particules J/psi ou en paires de particules Upsilon.

"Le J/psi est cc ^- état lié, l'Upsilon a bb ^- et donc quelque chose se désintégrant en ces paires de particules serait un candidat frappant pour un tétra-quark tout lourd", a déclaré le professeur Yi. "En utilisant les données collectées en 2011 et 2012 dans le cadre de l'exploitation I du LHC, CMS a trouvé un indice de deux structures J/psi-J/psi, mais il n'y avait pas suffisamment de données pour faire une affirmation convaincante à l'époque."

En 2019, la collaboration CMS a repris sa recherche de systèmes de quarks tous lourds se désintégrant en paires de particules J/psi ou Upsilon, cette fois en utilisant les données collectées au LHC du CERN entre 2016 et 2018 (Run II). Pourtant, la première de ces particules, baptisée X(6900), a finalement été observée par un autre effort de recherche au CERN, à savoir l'expérience LHCb.

"L'expérience LHCb a été la première à démarrer avec son rapport sur la désintégration du X(6900) en J/psi-J/psi en 2020", a déclaré le professeur Yi. "Pourtant, CMS a continué son travail, et nous avons finalement été récompensés en identifiant trois structures J/psi-J/psi :confirmant X(6900) et signalant deux nouvelles, baptisées X(6600) et X(7100)."

Dans le cadre de cette étude la plus récente, l’équipe CMS a spécifiquement recherché des paires de mésons J/Psi. Ces particules constituent une sonde puissante pour les systèmes de quarks tous lourds, car elles peuvent être clairement identifiées au sein du collisionneur LHC, où l'environnement est complexe et marqué par des collisions pp de haute intensité.

"Pour cette étude, l'équipe d'analyse a conçu une stratégie de recherche dans le Run II basée sur les informations du Run I sans réellement examiner les données. Cette approche, appelée analyse "aveugle", est très efficace pour éviter les biais potentiels, tels que se tromper soi-même. apparemment trouver ce que l'on pense être censé trouver, ou vouloir trouver, les trois structures ont sauté après que les nouvelles données ont finalement été levées", a expliqué le professeur Yi.

Grâce à cette stratégie d'analyse aveugle, le professeur Yi et ses collaborateurs du CMS ont pu confirmer l'existence de la structure précédemment détectée par la collaboration LHCb, tout en dévoilant deux structures entièrement nouvelles. Ces trois structures semblent faire partie de la même famille de systèmes de quarks entièrement lourds.

"Bien que ce ne soit peut-être pas la seule interprétation possible, un modèle dans lequel les trois structures quantiques interfèrent mécaniquement les unes avec les autres décrit très bien les données CMS", a déclaré le professeur Yi. "Cela nécessite que les trois aient les mêmes propriétés quantiques, et suggère en outre que ces états constituent une famille de tétraquarks excités."

Les trois structures de quarks entièrement lourds signalées par la collaboration CMS offrent de nouveaux indices importants sur la nature et la structure interne des hadrons exotiques. Plus précisément, ils identifient un nouveau régime auquel les physiciens peuvent appliquer la théorie des interactions fortes :le régime de la « chromodynamique quantique ».

"CMS se prépare désormais à améliorer ses mesures des propriétés de ces états", a ajouté le professeur Yi. "Les nouvelles données présentent une nouvelle possibilité passionnante, celle de rechercher d'éventuels états exotiques composés uniquement de quarks bottom encore plus lourds."