Deux, voire trois nouvelles particules pour LHCb

L’expérience LHCb au CERN. (Image : CERN)

L'expérience LHCb a peut-être fait d'une pierre trois coups. La collaboration a découvert deux particules jamais observées auparavant, ainsi que des indices d'une autre nouvelle particule, en analysant des données des collisions de protons de haute énergie dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Les futures études qui seront menées sur les propriétés de ces nouvelles particules nous en apprendront davantage sur la force forte, qui lie entre elles les particules subatomiques appelées quarks.

Ces nouvelles particules sont prédites par la théorie bien établie du modèle des quarks, et elles appartiennent à la même famille de particules que les protons qui circulent et entrent en collision dans le LHC : les baryons, qui sont composés de trois quarks. Mais les quarks qu'elles contiennent sont toutefois d'un type différent : alors que les protons contiennent deux quarks u et un quark d, les nouvelles particules, appelées Σb(6097)+ et Σb(6097)-, sont des baryons b, composés respectivement d'un quark b et de deux quarks u (buu), et d'un quark b et de deux quarks d (bdd). Quatre cousines de ces particules, appelées  Σb+, Σb-, Σb*+ et Σb*-, avaient déjà été observées par une expérience du Fermilab ; c'est cependant la première fois que leurs homologues de masse plus élevée, Σb(6097)+ et Σb(6097)-, sont détectés.

La collaboration LHCb a découvert ces particules en utilisant la technique de chasse aux particules classique consistant à chercher dans les données issues des collisions un excédent d'événements, c'est-à-dire une « bosse » se détachant de la courbe qui représente les événements constituant le bruit de fond. Dans le cas présent, les scientifiques ont cherché ces bosses dans la distribution des massesd'un système à deux particules composé d'un baryon neutre appelé Λb0 et d'une particule chargée quark-antiquark appelée méson π. Ils ont trouvé deux bosses correspondant aux particules Σb(6097)+ and Σb(6097)-, avec une signification statistique phénoménale, de respectivement 12,7 et 12,6 déviations standard. Pour rappel, le niveau de cinq déviations standard constitue le seuil habituellement pris en compte pour annoncer la découverte d'une nouvelle particule. Le nombre « 6097 » apparaissant dans les noms des particules fait référence aux masses approximatives des nouvelles particules, en MeV ; cela signifie qu'elles sont environ six fois plus massives qu'un proton.

La troisième particule, appelée Zc-(4100) par la collaboration LHCb, est un candidat possible pour un autre type de créature issue du monde des quarks, constituée non pas de deux ou trois quarks, comme c'est le cas d'habitude, mais de quatre quarks (plus précisément, deux quarks et deux antiquarks), dont deux sont des quarks c lourds. L'existence de ces mésons exotiques, parfois décrits comme des « tétraquarks », ainsi que des particules composées de cinq quarks appelées « pentaquarks », a été prédite depuis longtemps, mais ceux-ci n'ont été découverts que relativement récemment. En cherchant des structures particulières dans les désintégrations de mésons B plus lourds, les scientifiques de LHCb ont détecté des indices d'un Zc-(4100), avec une signification statistique de plus de trois déviations standard, c'est-à-dire n'atteignant pas le seuil auquel une découverte peut être annoncée. De futures études, qui seront menées auprès de LHCb ou d'autres expériences, et basées sur davantage de données,seront peut-être en mesure de renforcer ou de réfuter ces observations.

Ces nouveaux résultats, décrits dans deux articles parus en ligne et soumis à des revues de physique en vue de leur publication, constituent une nouvelle étape dans la compréhension par les physiciens de l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales de la nature.

Pour plus d’informations, consultez le site web de LHCb.