LHCb dévoile de nouvelles particules

La caverne expérimentale de l'expérience LHCb. (Image : Claudia Marcelloni/CERN)

Le 28 juin, la collaboration LHCb a annoncé avoir observé avec les données du Grand collisionneur de hadrons (LHC) trois nouvelles particules « exotiques », et confirmé l’existence d’une quatrième. Ces particules semblent être formées de quatre quarks (les constituants fondamentaux de la matière présents dans tous les atomes de l’Univers) : deux quarks et deux antiquarks (soit un tétraquark). En raison de leur composition en quarks non standard, les nouvelles particules observées ont été classées dans la vaste catégorie des particules « exotiques », même si leur interprétation théorique exacte est toujours à l’étude.

Le modèle des quarks, proposé en 1964 par Murray Gell-Mann et George Zweig, est le système de classification des hadrons (toutes les particules composites) le mieux établi à ce jour ; il fait partie du Modèle standard de la physique des particules. Dans ce modèle, les hadrons sont classés en fonction de leur composition en quarks. Toutefois, le fait que tous les hadrons observés jusque-là soient formés, soit d’une paire quark-antiquark (mésons), soit de trois quarks (baryons) seulement, restait inexpliqué. Au cours de la dernière décennie, plusieurs collaborations ont trouvé des indices de l’existence de particules formées de plus de trois quarks. Par exemple, en 2009, la collaboration CDF a découvert l’une d’entre elles, appelée X(4140), le nombre entre parenthèses correspondant à la masse reconstruite de la particule en mégaélectronvolts (MeV). Ce résultat a ensuite été confirmé par une nouvelle analyse de CDF, puis par les collaborations CMS et D0.

Néanmoins, jusqu’à présent, les nombres quantiques de la particule X(4140) – nombres caractérisant les propriétés d’une particule donnée – n’étaient pas tous connus. Grâce à la collaboration LHCb, les nombres quantiques de la particule X(4140) ont pu être déterminés avec une grande précision, ce qui a permis de mieux définir les interprétations théoriques possibles, et d’exclure certaines des théories qui étaient proposées précédemment sur la nature de la particule.

Alors que la particule X(4140) avait déjà été observée, c’est la première fois que l’on annonce l’observation des trois nouvelles particules exotiques, aux masses plus élevées, appelées (4274), X(4500) et X(4700). Si les quatre particules ont toutes la même composition en quarks, elles ont chacune une structure interne et une masse particulières, et leurs propres ensembles de nombres quantiques. 

L’image montre les données (points noirs) de la distribution des masses découlant de l’association des mésons J/ψ et φ. La contribution des quatre particules exotiques est mise en évidence par les quatre structures en pointe en bas du graphique.

Ces résultats reposent sur une analyse approfondie de la désintégration d’un méson B+ en mésons appelés J/ψ, φ et K+, les nouvelles particules apparaissant comme des particules intermédiaires se désintégrant en une paire de mésons J/ψ et φ. Pour mener ces recherches, les physiciens de LHCb ont utilisé un ensemble complet de données recueillies durant la première période d’exploitation du LHC, de 2010 à 2012. Grâce au grand nombre de signaux enregistrés efficacement par le détecteur LHCb, les scientifiques de l’expérience ont pu découvrir ces trois nouvelles particules, qui forment littéralement une pointe (voir l’image) dans les données.

Cette découverte vient s’ajouter à celle des deux premiers pentaquarks faite par la collaboration LHCb l’année dernière.

Pour en savoir plus sur les tétraquarks découverts, consultez le site web de LHCb et les deux articles scientifiques soumis (voir ici et ici).