Observation exceptionnelle de LHCb : cinq d’un coup !

Un événement LHCb typique entièrement reconstruit. Les particules identifiées comme des pions, des kaons, etc. sont mises en évidence dans des couleurs différentes. (Image : collaboration LHCb)

L'expérience LHCb au CERN est une mine de nouveaux résultats de physique remarquables. Il y a quelques mois seulement, la collaboration annonçait la mesure d'une désintégration très rare d'une particule, puis des traces d'une nouvelle manifestation de l'asymétrie entre matière et antimatière, pour ne citer que ces deux exemples.

Dans un article paru aujourd'hui, la collaboration LHCb a annoncé la découverte, lors d'une seule analyse, d'un nouveau système de cinq particules. Il s’agit d’un résultat exceptionnel, le fait d'avoir observé cinq nouveaux états en une seule fois étant sans doute inédit.

Les particules en question sont des états excités (des états dont l’énergie est supérieure à celle de la configuration minimale absolue, ou état fondamental) d'une particule appelée "Omega-c-zero" Ωc0. Ce Ωc0 est en fait un baryon (particule composée de trois quarks) contenant deux quarks s et un quark c. Le Ωc0 se désintègre par le biais de la force forte en un autre baryon, appelé "Xi-c-plus" Ξc+ (contenant un quark c, un quark s et un quark u), et en un kaon K-. La particule Ξc+ se désintègre ensuite à son tour en un proton p, un kaon K- et un pion π+.

À partir de l'analyse des trajectoires et de l'énergie laissée dans le détecteur par toutes les particules dans cette configuration finale, la collaboration LHCb a pu remonter jusqu'à l'événement initial – la désintégration du baryon  Ωc0 – et ses états excités. Ces états de particules sont appelés, conformément aux procédures habituelles, : Ωc(3000)0, Ωc(3050)0, Ωc(3066)0, Ωc(3090)0 et Ωc(3119)0. Les nombres indiqués désignent les masses respectives des particules en mégaélectronvolts (MeV), mesurées par LHCb.

Cette découverte a été rendue possible grâce aux fonctions spécialisées du détecteur LHCb, capable de reconnaître précisément différents types de particules, et grâce à l'ensemble volumineux de données accumulées durant les première et deuxième exploitations du Grand collisionneur de hadrons. Il a ainsi été possible d'identifier les cinq états excités avec une signifiance statistique remarquablement élevée, ce qui exclut la possibilité que la découverte soit simplement due à un aléa statistique.

La prochaine étape consistera à déterminer les nombres quantiques de ces nouvelles particules – des nombres caractérisant les propriétés d'une particule spécifique – et à établir leur importance sur le plan théorique. Cette découverte nous aidera à comprendre comment les trois quarks composant un baryon sont liés ensemble, ainsi qu’à tester la corrélation entre les quarks, un élément clé pour la description des états à plusieurs quarks, comme les tétraquarks ou les pentaquarks.

Pour plus de précisions sur ce résultat, consulter le site web de LHCb et l'article scientifique.

L’image ci-dessus montre les données (points noirs) de la distribution des masses reconstruites à partir de l’association des particules Ξc+ et K- . Les cinq états des particules sont représentés par les cinq structures en pointe étroites se détachant dans la distribution des données. (Image : collaboration LHCb)