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LHCb découvre trois nouvelles particules exotiques

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 LHCb découvre trois nouvelles particules exotiques

La collaboration internationale LHCb auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) a observé trois nouvelles particules : un nouveau type de « pentaquark » et la première paire de « tétraquarks » jamais détectée, comportant un nouveau type de tétraquark. Avec ces résultats, présentés aujourd’hui lors d’un séminaire du CERN, trois nouveaux objets exotiques viennent s’ajouter à la liste de nouveaux hadrons découverts au LHC. Les physiciens pourront ainsi mieux comprendre comment les quarks se lient entre eux pour former ces particules composites.

Les quarks sont des particules élémentaires qui se déclinent en six saveurs : up (u), down (d), charme (c), étrange (s), top (t) et bottom (b). Ils s’assemblent généralement par groupes de deux ou trois pour former des hadrons, tels que les protons et les neutrons formant les noyaux des atomes. Toutefois, plus rarement, ils peuvent aussi se combiner en particules à quatre ou cinq quarks ; on parle alors respectivement de « tétraquarks » et de « pentaquarks ». Ces hadrons exotiques avaient été prédits il y a plus d’un demi-siècle par les théoriciens en même temps que les hadrons classiques, mais ce n’est que plus récemment, au cours des vingt dernières années, qu’ils ont été observés par LHCb et d’autres expériences.

Le nouveau pentaquark, une paire de hadrons classiques faiblement liés dans une structure comparable à celle d’une molécule, est composé d’un quark c et d’un antiquark c, et d’un quark u, d’un quark d et d’un quark s (Image : CERN)

La plupart des hadrons exotiques découverts au cours des deux dernières décennies sont des tétraquarks ou des pentaquarks contenant un quark charme et un antiquark charme, les deux ou trois quarks restants pouvant être un quark up, down ou étrange, ou leur antiquark. Mais au cours des deux dernières années, LHCb a découvert différents types d’hadrons exotiques. En 2020, la collaboration a découvert un tétraquark composé de deux quarks c et de deux antiquarks c, ainsi que deux « tétraquarks à charme apparent », composés d’un antiquark c, d’un quark u, d’un quark d et d’un antiquark s. Et en 2021, elle a découvert le tout premier spécimen de « tétraquark à double charme apparent », contenant deux quarks c et deux antiquarks (u et d). Une particule est dite « à charme apparent » lorsqu’elle contient un quark c sans antiquark équivalent.

Les découvertes annoncées aujourd’hui par la collaboration LHCb concernent de nouveaux types d’hadrons exotiques. Le premier type, observé lors de l’analyse de désintégrations de mésons B chargés négativement, est un pentaquark composé d’un quark c et d’un antiquark c, et d’un quark u, d’un quark d et d’un quark s. C’est la première fois qu’on trouve un pentaquark contenant un quark s. Le résultat a une signification statistique de 15 écarts-types, ce qui est impressionnant en physique des particules, ce n’est qu’à partir de 5 écarts-types qu’on peut revendiquer l’observation d’une particule.

Les deux nouveaux tétraquarks, prenant la forme d’unités isolées de quarks étroitement liés. L’une des particules est composée d’un quark c, d’un antiquark s, d’un quark u et d’un antiquark d (à gauche), et l’autre est constituée d’un quark c, d’un antiquark s, d’un antiquark u et d’un quark d (à droite) (Image : CERN)

Le deuxième type observé est un tétraquark doublement chargé électriquement. Il s’agit d’un tétraquark à charme apparent composé d’un quark c, d’un antiquark s, d’un quark u et d’un antiquark d. Il a été observé avec son homologue neutre lors d’une analyse conjointe des désintégrations de mésons B chargés positivement et de mésons B neutres. Ces nouveaux tétraquarks ont été observés avec une signification statistique de 6,5 écarts-types (pour la particule doublement chargée) et de 8 écarts-types (pour la particule neutre). Il s’agit de la première observation d’une paire de tétraquarks.

« Plus nous effectuons d’analyses, plus nous trouvons de types d’hadrons exotiques, explique Niels Tuning, coordinateur de la physique de LHCb. Nous vivons actuellement une époque de découvertes semblable à celle que nous avons connue dans les années 1950, lorsque l’on a commencé à découvrir un véritable "zoo de particules" - en l’occurrence des hadrons. C’est ainsi qu’a été élaboré, dans les années 1960, le modèle à quarks pour les hadrons classiques. Nous sommes en train de créer un "zoo de particules 2.0". »

« Trouver de nouveaux types de tétraquarks et de pentaquarks, et mesurer leurs propriétés, cela aidera les théoriciens à élaborer un modèle unifié des hadrons exotiques, même si la nature exacte de ce modèle est largement inconnue, explique Chris Parkes, porte-parole de LHCb. Cela aidera également à mieux comprendre les hadrons classiques. »

Alors que certains modèles théoriques décrivent les hadrons exotiques comme des unités isolées constituées de quarks étroitement liés, d’autres modèles les envisagent comme des paires d’hadrons standard faiblement liés dans une structure comparable à celle d’une molécule. Seuls le temps et d’autres études sur les hadrons exotiques permettront de déterminer quel modèle, ou quels modèles, il faut retenir.

Plus d’informations :

  1. Information sur le site de LHCb : https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2...
  2. Le groupe LHCb du LAPP : https://lapp.in2p3.fr/spip.php?article90