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LHCb dévoile de nouvelles particules
La collaboration LHCb a annoncé l’observation de quatre particules « exotiques » à partir de son analyse des données du LHC.
La caverne expérimentale de l'expérience LHCb.
Le 28 juin, la collaboration LHCb a annoncé avoir observé avec les données du LHC trois nouvelles particules « exotiques », et confirmé l’existence d’une quatrième. Ces particules semblent être formées chacune de quatre quarks (les constituants fondamentaux de la matière présents dans tous les atomes de l’Univers) : deux quarks et deux antiquarks (soit un tétraquark). En raison de leur composition en quarks non standard, les nouvelles particules observées ont été classées dans la vaste catégorie des particules « exotiques », même si leur interprétation théorique exacte est toujours à l’étude.
Le modèle des quarks, proposé en 1964 par Murray Gell-Mann et George Zweig, est considéré comme le système de classification des hadrons (toutes les particules composites) le mieux établi à ce jour ; il fait partie du Modèle standard de la physique des particules. Dans le modèle des quarks, les hadrons sont classés en fonction de leur composition en quarks. Toutefois, le fait que tous les hadrons observés jusque-là soient formés, soit d’une paire quark-antiquark (dans le cas des mésons), soit de trois quarks seulement (dans le cas des baryons), restait inexpliqué. Au cours de la dernière décennie, plusieurs collaborations ont trouvé des indices de l’existence de particules formées de plus de trois quarks. Par exemple, en 2009, la collaboration CDF a découvert l’une d’elles, appelée X(4140), le nombre entre parenthèses correspondant à la masse reconstruite de la particule en mégaélectronvolts. Ce résultat a ensuite été confirmé par une nouvelle analyse de CDF, puis par les collaborations CMS et DØ.
L’image ci-dessus montre les données (points noirs) de la distribution des masses découlant de l’association des mésons J/ψ et φ. La contribution des quatre particules exotiques est mise en évidence par les quatre structures en pointe en bas du graphique.
Néanmoins, jusqu’à présent, les nombres quantiques de la particule X(4140) – nombres caractérisant les propriétés d’une particule donnée – n’étaient pas tous connus. Grâce à la collaboration LHCb, ces nombres ont pu être déterminés avec une grande précision, ce qui a permis de mieux cerner les interprétations théoriques possibles, et d’exclure certaines des théories qui étaient proposées précédemment sur la nature de la particule.
« Les études menées sont très rigoureuses, souligne Guy Wilkinson, porte-parole de la collaboration LHCb, et exigent une modélisation sophistiquée de tous les processus susceptibles de contribuer à ce qui est observé dans le détecteur, mais nos analystes sont hautement qualifiés dans l’utilisation de ces techniques. »
Alors que la particule X(4140) avait déjà été observée, c’est la première fois que l’on annonce l’observation des trois nouvelles particules exotiques, aux masses plus élevées, appelées X(4274), X(4500) et X(4700). Si les quatre particules ont toutes la même composition en quarks, elles ont chacune une structure interne et une masse particulières, et leurs propres ensembles de nombres quantiques.
Ces résultats reposent sur une analyse approfondie de la désintégration d’un méson B+ en mésons appelés J/ψ, φ et K+, les nouvelles particules apparaissant comme des particules intermédiaires se désintégrant en une paire de mésons J/ψ et φ. Pour mener ces recherches, les physiciens de LHCb ont utilisé l’ensemble complet de données recueillies durant la première période d’exploitation du LHC, de 2010 à 2012. Grâce au grand nombre d’événements enregistrés efficacement par le détecteur LHCb, la collaboration a pu découvrir ces trois nouvelles particules, qui forment littéralement une pointe (voir la seconde image) dans les données.
« L’ensemble de données de la première période d’exploitation nous a permis de découvrir ces nouvelles particules, poursuit Guy Wilkinson. Grâce à l’échantillon beaucoup plus grand que nous avons commencé à recueillir durant la deuxième période d’exploitation, nous pourrons étudier leurs propriétés avec une plus grande précision, afin de tenter de mieux comprendre comment la force forte forme les hadrons en agissant sur les quarks qui les constituent. »
Cette découverte vient s’ajouter à celle des deux premiers pentaquarks faite par la collaboration LHCb l’année dernière.
« Les résultats obtenus sur les tétraquarks, qui font suite à la découverte des pentaquarks, montrent à quel point le LHC est une installation riche et puissante pour améliorer notre connaissance de la spectroscopie hadronique, s’enthousiasme Guy Wilkinson. Lorsque l’expérience LHCb a été conçue, ce sujet suscitait peu d’attention. Il s’avère que le détecteur est remarquablement bien adapté pour les études dans ce domaine », conclut-il.
Pour en savoir plus sur les tétraquarks découverts, consultez le site web de LHCb et les deux articles scientifiques soumis (voir ici et ici).
par Stefania Pandolfi