Un nouveau baryon de type proton a été découvert suite à une mise à niveau du Grand collisionneur de hadrons (LHC), selon l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN). Quatre fois plus lourde que les protons ordinaires, la particule est dotée de deux quarks charm à la place des deux quarks up habituels. Cette découverte pourrait contribuer à améliorer notre compréhension de l’interaction forte, responsable de la cohésion des noyaux atomiques.
Composant tous les atomes de la matière, les quarks existent sous six formes différentes dites « saveurs » : les quarks up, les quarks down, les quarks charm, les quarks strange, les quarks top et les quarks bottom. Ils se combinent généralement par groupes de deux ou trois pour former soit des mésons, soit des baryons, les particules qui forment collectivement des hadrons.
Les protons qui composent la matière ordinaire sont des hadrons de type baryon et sont composés de deux quarks up et un quark down. Il existe également des hadrons plus exotiques tels que les tétraquarks et les pentaquarks qui sont composés de quatre et cinq quarks respectivement. Cependant, contrairement au proton ordinaire qui est très stable, les hadrons exotiques ont une durée de vie très courte, rendant leur détection difficile.
Leur production nécessite des collisions de particules à haute énergie dans des conditions imitant celles juste après le Big Bang. Mais si leur instabilité intrinsèque rend leur détection directe difficile, leurs produits de désintégration sont plus stables et peuvent être détectés par les capteurs spécialisés des collisionneurs comme le LHC. Ces détections permettent ensuite de déduire les propriétés des particules initiales.
Baptisée Xi-cc-plus, la nouvelle particule détectée avec le LHC est un baryon également plus lourd que les protons ordinaires. Découverte dans le cadre de l’expérience LHCb, elle a été détectée suite à une mise à niveau de l’un des détecteurs du collisionneur et porte désormais à 80 le nombre total de hadrons observés par les expériences du LHC. La découverte a été présentée la semaine dernière à l’occasion de la conférence Moriond sur la physique des particules en Savoie, en France.
« Il s’agit de la première nouvelle particule identifiée depuis les améliorations apportées au détecteur LHCb en 2023, et seulement de la deuxième fois qu’un baryon composé de deux quarks lourds est observé, la première observation remontant à près de dix ans », explique Vincenzo Vagnoni, porte-parole de LHCb, dans un communiqué du CERN.
Deux quarks charm et un quark down
Xi-cc-plus possède deux quarks charm et un quark down, ce qui la rend quatre fois plus lourde que le proton ordinaire. Le consortium LHCb a découvert en 2017 une particule presque similaire avec deux quarks charm et un quark up, mais la seule différence est que le nouveau baryon possède un quark down à la place du quark up.
Cependant, malgré cette similitude, Xi-cc-plus a une durée de vie jusqu’à six fois plus courte que celle du baryon similaire découvert en 2017 en raison d’effets quantiques complexes, ce qui rend sa détection encore plus difficile. Les chercheurs estiment qu’elle survit moins d’un millionième de millionième de seconde avant de se désintégrer. L’équipe du LHCb a néanmoins détecté le nouveau baryon avec une signification statistique de 7 sigma, soit bien au-dessus du seuil des 5 sigma requis pour revendiquer une découverte.
« Il s’agit là de la première d’une longue série de découvertes attendues grâce au nouveau détecteur LHCb », a déclaré le professeur Tim Gershon de l’université de Warwick, qui prendra la direction internationale du projet LHCb en juillet, au Guardian. « La capacité de détection améliorée nous a permis de repérer la particule après seulement un an, alors que nous n’avions pas pu l’observer pendant les dix années de collecte de données réalisées avec le LHCb initial. »
« Ce résultat permettra aux théoriciens de tester les modèles de chromodynamique quantique, la théorie de l’interaction forte qui lie les quarks non seulement en baryons et mésons conventionnels, mais aussi en hadrons plus exotiques comme les tétraquarks et les pentaquarks », ajoute Vagnoni dans le communiqué.
L’interaction forte constitue la plus puissante des quatre interactions fondamentales de l’Univers. Elle assure la cohésion des quarks au sein des protons et des neutrons en les maintenant entre eux comme un élastique, c’est-à-dire en augmentant en intensité à mesure que les particules subatomiques sont distantes entre elles.
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