Une surprise au goût de charmonium à LHCb

La caverne expérimentale de LHCb. (Image : Maximilien Brice/CERN)

L'expérience LHCb au CERN a publié le 13 septembre une mesure des masses de deux particules, d'une précision sans précédent auprès d'un collisionneur d'hadrons. Jusqu'à présent, l'étude précise de ces particules « charmonium », des sources très précieuses d'informations sur le monde subatomique, exigeait des expériences construites spécialement dans ce but.

« Avec ce résultat, la collaboration LHCb ouvre une nouvelle voie, en montrant qu'il est possible de réaliser des mesures de précision des particules charmonium auprès de collisionneurs d'hadrons ; c'est une perspective inattendue pour la communauté de la physique », explique Giovanni Passaleva, porte-parole de la collaboration LHCb.

En effet, ce type de mesure semblait impossible il y a peu.

Les deux particules, χc1 et χc2, sont des états excités d'une particule mieux connue appelée J/ψ. Un état excité est une particule dont l'énergie interne (c'est-à-dire la masse) est plus élevée que la configuration minimale absolue permise. Le méson J/ψ et ses états excités, appelés aussi charmonium, sont composés d'un quark charmé et de son équivalent dans l'antimatière, un antiquark charmé, qui sont liés ensemble par la force nucléaire forte. L'observation du méson J/ψ, en novembre 1974, a été un événement révolutionnaire ; elle a déclenché à l'époque une évolution rapide de la physique des hautes énergies et a valu à ses découvreurs le prix Nobel de physique. Tout comme un atome ordinaire, un méson peut être observé dans des états excités, dans lesquels les deux quarks qu'il contient se déplacent l'un autour de l'autre selon différentes configurations ; du fait de la fameuse équivalence de l'énergie et de la masse théorisée par Einstein, ces quarks peuvent disparaître après un court instant et se transformer en d'autres particules de masse plus faible. L'expérience LHCb a étudié, pour la première fois, la transformation particulière des mésons χc1 et χc2 se désintégrant en une particule J/ψ et en deux muons afin de déterminer très précisément certaines de leurs propriétés.

De précédentes études auprès de collisionneurs se sont penchées sur un autre type de désintégration de ces particules χc1 et χc2 , présentant dans l'état final un photon au lieu de deux muons. Il est toutefois très difficile d'obtenir une mesure expérimentale de l'énergie d'un photon dans l'environnement hostile d'un collisionneur d'hadrons. Grâce aux fonctions spécialisées du détecteur LHCb, capable de mesurer les trajectoires et les propriétés de particules chargées telles que les muons, et à l'ensemble volumineux de données accumulées durant les première et deuxième exploitations du LHC, jusqu'à fin 2016, il a été possible d'observer ces deux particules excitées avec une excellente résolution de masse. La nouvelle mesure des masses et des largeurs naturelles des particules χc1 et χc2, réalisée à partir de la désintégration récemment observée avec deux muons dans l'état final, correspond aux mesures obtenues par de précédentes expériences construites dans ce but précis et selon une approche expérimentale spécifique, très différente de celle utilisée pour les collisionneurs ; en outre, elle présente le même niveau de précision.

« Non seulement nous ne sommes plus obligés d'avoir recours à des expériences construites spécifiquement pour ces études, mais en plus nous pourrons, dans un futur proche, envisager d'appliquer la même méthode pour étudier une famille de particules similaire, appelée bottomonium, dans laquelle les quarks charmés sont remplacés par des quarks beauté », poursuite Giovanni Passaleva. Ces nouvelles mesures, auxquelles s'ajouteront de futures mises à jour prenant en compte un plus grand volume de données issu des collisions accumulées dans le LHC, permettront de procéder à de nouveaux tests rigoureux des prédictions de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie décrivant le comportement de la force nucléaire forte ; nous serons ainsi plus proches de comprendre précisément les caractéristiques fugaces de cette interaction fondamentale de la nature. 

Plus d'informations sur le site de LHCb

L’image ci-dessus montre les données (points noirs) de la distribution des masses, reconstruite à partir de l’association du J/y et des deux muons. Les deux états des particules sont représentés par les deux structures en pointe se détachant dans la distribution des données. (Image :  collaboration LHCb)