La collaboration LHCb a découvert une nouvelle particule constituée d’un quark étrange et de deux quarks charmés. Ce résultat signifie que la collaboration a détecté le troisième et dernier membre d’une famille de baryons doublement charmés, c’est-à-dire de particules composées de deux quarks charmés et d’un autre quark, mettant ainsi le point final à l’un des chapitres d’une histoire commencée il y a plus de 60 ans.

Les quarks sont des constituants élémentaires de la matière. Il en existe six types – up (u), down (d), charmé (c), étrange (s), top (t) et bottom (b) – et ils s’assemblent en paires, pour former des mésons, ou en triplets, pour former des baryons. Il y a 60 ans, alors que les expériences commençaient à dévoiler la structure fondamentale de la matière à l’échelle des quarks, les scientifiques ont élaboré de premiers modèles théoriques afin de décrire et de classer les différentes combinaisons possibles de quarks en particules composites. Ils ont rapidement été capables de prédire les propriétés de particules qui n’avaient pas encore été observées.

En 1964, la découverte d’une nouvelle particule au Laboratoire national de Brookhaven marque un tournant dans la discipline. Composée de trois quarks s, cette particule avait déjà été décrite par les théoriciens ; la confirmation expérimentale de son existence et de ses propriétés vient démontrer la solidité de leurs modèles.

Dix ans plus tard, en 1974, une autre découverte bouleverse le monde de la physique des particules en révélant l’existence d’un quatrième quark, le quark c. Les théoriciens doivent alors étendre leurs modèles pour tenir compte des nombreuses nouvelles combinaisons de quarks devenues ainsi possibles, notamment des baryons doublement charmés. Ceux-ci sont composés de deux quarks c et, pour le troisième élément du triplet, ou d’un quark u, ou d’un quark d, ou d’un quark s. Les physiciens s’intéressent tout particulièrement à cette famille de particules, car les grandes différences de masse entre les quarks pourraient donner des indications intéressantes sur la force forte, qui lie les quarks ensemble pour former des particules composites.

Cependant, les expériences de l’époque ne parviennent pas à produire de baryons doublement charmés et, par ailleurs, ne disposent pas d’équipements suffisamment sensibles pour les détecter. Par exemple, la découverte historique, en 1964, de la particule composée de trois quarks s avait nécessité de passer en revue 80 000 photographies de collisions de particules dans des chambres à bulles. Ce sont les énergies bien plus élevées du Grand collisionneur de hadrons (LHC) ainsi que l’analyse minutieuse de milliards et de milliards de collisions de particules qui permettront enfin aux scientifiques de véritablement s’atteler à la recherche des baryons doublement charmés.

Comparaison de l’évolution des techniques de détection de particules. À gauche : photographie montrant la découverte, en 1964, d’une particule composée de trois quarks s au moyen d’une chambre à bulles (Image : Laboratoire national de Brookhaven). À droite : reconstitution de la manière dont la nouvelle particule composée de deux quarks c et d’un quark s a été produite et détectée par l’expérience LHCb (Image : CERN)

La collaboration LHCb a découvert le premier de ces baryons doublement charmés en 2017, et le deuxième au début de cette année. Aujourd’hui, 50 ans après que son existence a été prédite, le troisième et dernier membre de cette famille de particules a été détecté.

Ce résultat repose sur des données recueillies en 2024 et provenant de collisions proton-proton de haute énergie au LHC, qui ont produit les nouveaux baryons doublement charmés en question. Ceux-ci ont une durée de vie courte puisqu’ils ne parcourent qu’une fraction de millimètre dans le détecteur avant de se désintégrer en particules plus stables. La collaboration LHCb a reconstitué la trajectoire de ces baryons doublement charmés dans le détecteur jusqu’à leur point d’origine, mettant ainsi en évidence la signature caractéristique de cette nouvelle particule à durée de vie courte, dont la masse est environ quatre fois supérieure à celle d’un proton.

« C’est un magnifique moment d’une grande importance historique », a déclaré Paula Collins, nouvelle porte-parole adjointe de l’expérience LHCb. « Parmi les 85 particules composites découvertes au LHC à ce jour, ces trois baryons doublement charmés sortent du lot. Ils se désintègrent sous l’effet de la force faible et ont une durée de vie suffisante pour que des distances de vol soient mesurées dans notre expérience. Cette découverte a été rendue possible grâce au détecteur LHCb amélioré et à ses puissantes capacités de suivi et d’identification des particules. »

Mais l’histoire ne s’arrête pas là. D’autres recherches seront menées ultérieurement, exploitant les dernières données de l’expérience LHCb pour réaliser des mesures précises des propriétés de cette nouvelle particule, notamment de sa masse et de sa durée de vie, ainsi que pour affiner les mesures des autres baryons doublement charmés. Il nous reste, en outre, à observer non seulement les équivalents excités de ces particules, mais aussi de nouveaux baryons contenant soit des quarks b au lieu de quarks c, soit à la fois des quarks b et des quarks c.

Tandis que le LHC entame sa mue pour devenir le LHC à haute luminosité, l’expérience LHCb prévoit d’apporter d’importantes améliorations à ses détecteurs au cours des années 2030. Les scientifiques ont bon espoir qu’à la faveur de toutes ces avancées, plusieurs de ces particules pourront enfin être détectées, ouvrant ainsi un nouveau chapitre de l’histoire de l’expérience LHCb et de ses découvertes.