Lors de la conférence sur la physique auprès du Grand collisionneur de hadrons tenue cette semaine, des physiciens de la collaboration ATLAS ont rapporté la première observation d’une nouvelle particule aux propriétés correspondant au méson B_c*⁺. Cette dernière, qui est une version excitée du méson B_c⁺ – les deux particules comportant un quark charmé et un antiquark b, porte à 82 le nombre de nouvelles particules découvertes au Grand collisionneur de hadrons. L’étude de cette particule pourrait permettre de mieux comprendre la force forte, l’une des quatre forces fondamentales du Modèle standard de la physique des particules.

Bien qu’elle soit étudiée depuis plusieurs décennies, de nombreux aspects de la force nucléaire forte restent mal compris, en particulier la manière dont elle lie ensemble les quarks. Les particules constituées de quarks lourds, telles que les quarks b et charmés, peuvent constituer un véritable laboratoire pour tester les modèles théoriques de la force forte. Les physiciens s’intéressent particulièrement aux mésons B_c⁺, l’étude d’un système constitué de particules de masses très différentes offrant un éclairage exceptionnel sur les dynamiques de liaison.

Ce nouveau membre excité de la famille des B_c⁺ a été produit lors de collisions proton-proton de haute énergie au Grand collisionneur de hadrons, avant de rapidement se désintégrer en un méson B_c⁺ et un photon. Détecter ce photon en même temps que les produits de la désintégration du méson B_c⁺ fournirait aux chercheurs une preuve irréfutable de la présence du méson B_c*⁺. Cependant, la principale difficulté est que la masse attendue du méson B_c*⁺ est à peine supérieure à celle du méson B_c⁺, ce qui signifie que l’énergie du photon produit lors de la désintégration est très faible. En fait, cette énergie est si faible qu’elle ne peut pas être détectée facilement par une approche classique.

Au lieu d’utiliser les techniques classiques d’identification des photons, les chercheurs ont recherché dans le trajectographe d’ATLAS la transformation du photon en une paire électron-positon, qui laisse derrière elle des trajectoires rapprochées de particules chargées provenant d’un point décalé par rapport à la collision proton-proton initiale. Ces trajectoires peuvent avoir des impulsions transversales de 100 MeV –  soit des niveaux d’énergie beaucoup plus faibles que ceux habituellement étudiés dans les analyses d’ATLAS. Pour cette analyse, les chercheurs ont dû utiliser un processus de reconstitution des trajectoires qui leur a permis de retrouver les traces des photons, et ainsi d’identifier le méson B_c*⁺.

La différence de masse mesurée entre le méson B_c*⁺ et le méson B_c⁺ est de 64,5 ± 1,4 MeV. Cette mesure se situe dans la fourchette des prévisions théoriques, bien qu’elle s’écarte légèrement des calculs modernes de haute précision les plus récents. Ce résultat apporte de nouveaux éléments précieux aux modèles théoriques qui décrivent les masses des particules contenant les quarks les plus lourds et permettra de mieux comprendre la force nucléaire forte.

Pour en savoir plus, voir le site web de l’expérience ATLAS.