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Triple réussite pour CMS

La collaboration CMS observe trois particules J/ψ émergeant d’une seule collision entre deux protons – une première en physique des particules

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Displays of a candidate event in which triple J/psi production is observed
Événement de collision proton-proton, avec six muons (lignes rouges) issus de la désintégration de trois particules J/ψ. (Image: CMS/CERN)

C’est une triple réussite. En passant au crible les données issues des collisions de particules au Grand collisionneur de hadrons (LHC), la collaboration CMS a observé non pas une, non pas deux, mais trois particules J/ψ issues d’une seule collision entre deux protons. Cette observation, qui est une première en physique des particules, ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre comment les quarks et les gluons sont répartis à l’intérieur du proton.

La particule J/ψ est unique en son genre ; il s’agit de la première particule contenant un quartz charmé (ou quartz c) à avoir été observée, ce qui a valu à Burton Richter et Samuel Ting le prix Nobel de physique, et a contribué à établir le modèle des quarks pour les hadrons, qui sont des particules composites.

Certaines expériences auprès du LHC, notamment ATLAS, CMS et LHCb, ont déjà observé une ou deux particules J/ψ issues d’une seule collision de particules, mais elles n’avaient encore jamais observé la production simultanée de trois particules J/ψ – jusqu’à cette nouvelle analyse de CMS.

Pour arriver à ce résultat, l’équipe de CMS a analysé les nombreuses données de collisions proton-proton de haute énergie enregistrées par le détecteur CMS au cours de la deuxième exploitation du LHC, et recherché la désintégration de particules J/ψ en paires de muons, cousins lourds des électrons.

L’analyse a permis à l’équipe de CMS d’identifier cinq événements de collisions proton-proton uniques dans lesquelles trois particules J/ψ ont été produites simultanément. Le résultat a une signification statistique de plus de cinq écarts-types : le seuil requis pour affirmer qu’une particule ou qu’un processus a été observé en physique des particules.

Les événements dans lesquels sont produites trois particules J/ψ sont très rares. À titre indicatif, les événements associés à la production d’une ou de deux particules J/ψ sont, respectivement, environ 3,7 millions et 1800 fois plus fréquents. « Mais cela vaut vraiment la peine de les étudier », déclare Stefanos Leontsinis, physicien à CMS. « Le LHC pourra certainement nous livrer dans l’avenir un échantillon plus important de données d’événements associés à la production de trois particules J/ψ, ce qui devrait nous permettre de mieux comprendre la structure interne des protons à petite échelle. »

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Pour en savoir plus, voir le site web de CMS.