Cette actualité fait partie d'une série d’articles relatifs à l'édition 2020 de la conférence sur la physique auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHCP), qui se déroule du 25 au 30 mai 2020. En raison de la pandémie de COVID-19, la conférence, qui devait se tenir initialement à Paris, a lieu entièrement en ligne.
Les collaborations ALICE, CMS et LHCb présentent de nouveaux résultats montrant comment les particules charmées – celles qui contiennent des quarks c – peuvent jouer le rôle de « messagers » de deux formes de la matière faite de quarks et de gluons : les hadrons, qui composent la majeure partie de la matière visible dans l'Univers actuel, et le plasma quarks-gluons, qui aurait existé dans l'Univers primordial et qui peut être recréé lors de collisions d'ions lourds dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC). En étudiant les particules charmées, les scientifiques peuvent en savoir davantage sur les hadrons, dans lesquels les quarks sont liés par des gluons, ainsi que sur le plasma quarks-gluons, état de la matière dans lequel les quarks et les gluons ne sont pas confinés à l'intérieur des hadrons.
Voici les principaux résultats présentés :
L'équipe LHCb a obtenu les mesures les plus précises à ce jour de deux propriétés d'une particule appelée χc1(3872), qui est un hadron contenant des quarks c. La nature de cette particule, découverte en 2003, reste incertaine : il pourrait s’agir d'un hadron composé de deux quarks, d'un hadron plus exotique, tel qu'un tétraquark (système de quatre quarks liés étroitement les uns aux autres) ou encore d’une paire de particules à deux quarks, les deux particules étant faiblement liées selon une structure comparable à celle d’une molécule. Déterminer la nature de cet hadron pourrait permettre aux scientifiques de mieux comprendre comment les quarks se lient les uns aux autres pour former les hadrons.
« Nos résultats concordent avec l'hypothèse selon laquelle χc1(3872) serait une paire de particules à deux quarks faiblement liées, mais ils ne permettent pas d'exclure entièrement l'hypothèse d'un tétraquark ou d'autres hypothèses », déclare Giovanni Passaleva, porte-parole de LHCb.
La collaboration CMS a observé pour la première fois la transformation, ou « désintégration », d'une autre particule, appelée B0s, en une particule χc1(3872). L'équipe a comparé cette désintégration avec celle du méson B+, observée précédemment, qui avait conduit à la première détection de la particule χc1(3872) en 2003. Dans les deux types de désintégration, le comportement de cet hadron est lié aux quarks u et s.
« Les écarts mesurés dans les taux de désintégration sont étonnants et pourraient fournir d'autres éléments sur la nature de la particule χc1(3872), qui n'a pas été entièrement déterminée », déclare Roberto Carlin, porte-parole de CMS.
La collaboration ALICE a mesuré, dans les collisions d'ions lourds, le flux elliptique d’hadrons contenant des quarks c. Les hadrons sont produits durant les collisions, qui créent également un plasma quarks-gluons. Les hadrons contenant des quarks lourds, comme le quark c, sont d'excellents « messagers » du plasma quarks-gluons, à savoir qu'ils sont porteurs d'importantes informations sur cet état de la matière.
« Les caractéristiques observées par ALICE indiquent que les quarks c, qui sont lourds, sont entraînés par l'expansion du plasma quarks-gluons », explique Luciano Musa, porte-parole d'ALICE.
Par la suite, les collaborations LHC comptent réaliser des mesures plus précises de ces messagers du monde des quarks au moyen des données qui seront recueillies lors de la prochaine exploitation du LHC, laquelle bénéficiera d'installations d'expérimentation grandement améliorées.
Se reporter aux paragraphes suivants pour une description plus détaillée des résultats.
Résultats sur les quarks c en rapport avec les hadrons
Les collaborations LHCb et CMS décrivent les résultats de leur étude d'un hadron, appelé χc1(3872). Cette particule a été découverte en 2003 par l'expérience Belle, au Japon, mais sa composition reste incertaine : hadron composé de deux quarks, hadron plus exotique, tel qu'un tétraquark (système de quatre quarks liés étroitement les uns aux autres) ou encore paire de particules à deux quarks, les deux particules étant faiblement liées selon une structure comparable à celle d’une molécule.
Déterminer la nature de l’hadron χc1(3872) pourrait permettre aux scientifiques de mieux comprendre comment les quarks se lient les uns aux autres dans les hadrons. Les nouvelles études réalisées par les collaborations CMS et LHCb, à défaut de révéler entièrement la nature de cette particule, ont jeté un nouvel éclairage sur celle-ci.
En utilisant des techniques d'analyse sophistiquées et deux ensembles de données différents, l'équipe de LHCb a obtenu les mesures les plus précises à ce jour de la masse de la particule et ont déterminé pour la première fois, et avec une signification statistique de plus de cinq écarts-types, la « largeur » de la particule, un paramètre qui détermine sa durée de vie.
Jusqu'ici, les scientifiques n'avaient pu obtenir que les limites supérieures des valeurs permises de ce paramètre. L'équipe de LHCb a détecté dans leurs ensembles de données des particules χc1(3872) en utilisant la technique classique de chasse aux particules consistant à chercher un excédent d'événements de collision, c'est-à-dire une « bosse » se détachant du bruit de fond. À partir de chaque ensemble de données, l'équipe a réalisé une mesure de la masse et de la largeur ; les résultats obtenus pour les deux ensembles concordaient.
« Non seulement nos résultats sont les plus précis à ce jour, mais ils montrent que la masse de χc1(3872) est remarquablement proche de la somme des masses des mésons charmés D0 et D*0, déclare Giovanni Passaleva, porte-parole de LHCb. Cela concorde avec l'hypothèse selon laquelle χc1(3872) est une paire de particules à deux quarks faiblement liées, mais ne permet pas d'exclure entièrement l'hypothèse d'un tétraquark ou d'autres hypothèses. »
De son côté, la collaboration CMS, après avoir analysé un vaste ensemble de données enregistrées sur trois années, a observé pour la première fois la transformation, ou « désintégration », de la particule B0s en une particule χc1(3872) et un méson ϕ. Cette particule B0s, composée de deux quarks, est une parente du méson B+. C'est lors de la désintégration de ce méson que l'expérience Belle avait pour la première fois détecté la particule χc1(3872). Comme l'équipe de LHCb, l'équipe de CMS a détecté la particule χc1(3872) à l'aide de la technique de « repérage de la bosse ».
« Notre résultat est particulièrement intéressant car nous avons constaté que le taux auquel la particule B0s se désintègre en un hadron χc1(3872) et un méson ϕ est similaire à celui de la désintégration de la particule B0 en une particule χc1(3872) et un méson anti-K0, alors qu'il est environ deux fois plus faible que celui enregistré pour la désintégration précédemment observée du méson B+ en une particule χc1(3872) et un méson K+, indique Roberto Carlin, porte-parole de CMS. Lors de ces désintégrations, différents quarks, autres que le quark b, interviennent. Le fait que les taux de désintégration présentent ces particularités pourrait nous apprendre quelque chose sur la nature de la particule χc1(3872). »
Résultats sur les quarks c en rapport avec le plasma quarks-gluons
La collaboration ALICE a mesuré, dans des collisions d'ions lourds, le flux elliptique d’hadrons contenant un quark c, lié soit à un quark léger (formant un méson D), soit à un antiquark c (formant un méson J/ψ). Les hadrons contenant des quarks lourds, à savoir le quark c ou le quark b, sont d'excellents « messagers » du plasma quarks-gluons formé dans ces collisions. Ils sont produits lors des phases initiales des collisions, avant la formation du plasma, et, ainsi, interagissent avec les constituants du plasma tout au long de son évolution, depuis sa phase d'expansion rapide jusqu’à son refroidissement et sa transformation en hadrons.
Lorsque les noyaux lourds n'entrent pas en collision frontale, le plasma s’allonge et son expansion conduit à une modulation principalement elliptique de la distribution de l'impulsion des hadrons (le flux). L'équipe d'ALICE a constaté que, pour une faible impulsion, le flux elliptique des mésons D est moindre que celui des pions, qui ne contiennent que des quarks légers, et que le flux elliptique des mésons J/ψ est plus faible que celui des deux autres mais peut néanmoins être observé distinctement.
« Ce profil indique que les quarks c lourds sont entraînés par l'expansion du plasma quarks-gluons, mais probablement dans une moindre mesure que les quarks légers, et que les mésons D comme les mésons J/ψ, à de faibles impulsions, sont en partie formés par la liaison, ou recombinaison, de quarks en mouvement », explique Luciano Musa, porte-parole d'ALICE.
Une autre mesure réalisée par l'équipe d'ALICE concernant le flux d'électrons issu des désintégrations d’hadrons B, qui contiennent un quark b, indique que les quarks b sont également sensibles à l’allongement du plasma quarks-gluons. Les particules upsilon, qui sont constituées d'un quark b et de son antiquark (et non pas d'un quark c et d'un antiquark c, comme c'est le cas de la particule J/ψ) ne présentent pas un flux significatif, probablement en raison de leur masse beaucoup plus élevée et du faible nombre de quarks b pouvant se prêter à une recombinaison.
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Pour en savoir plus, consultez les sites web des collaborations CMS et LHCb (en anglais) :
- https://cms.cern/news/discreet-charm-x3872
- https://lhcb-public.web.cern.ch/ Welcome.html#X(3872)2020
Articles originaux (en anglais) :