Les hadrons sont des particules composites constituées de deux (mésons) ou trois quarks (baryons), tels que les protons et neutrons composant les noyaux atomiques. Néanmoins, le Modèle Standard prédit également l’existence de hadrons plus massifs composés de quatre ou cinq quarks, appelés respectivement tétraquarks et pentaquarks. De telles particules ont été détectées auparavant, mais jamais composées des quatre ou cinq mêmes quarks. Récemment, l’expérience LHCb a observé pour la toute première fois un tétraquark composé de quatre quarks (et antiquarks) charm. Ce résultat extrêmement important devrait permettre aux physiciens d’étudier plus en détail les interactions entre quarks dans le cadre de la chromodynamique quantique, la théorie quantique de l’interaction forte.
La collaboration LHCb a observé un type de particule à quatre quarks jamais vu auparavant. La découverte, présentée lors d’un récent séminaire au CERN et décrite dans un article publié sur arXiv, est probablement la première d’une classe de particules inconnue jusqu’alors et jamais vue par les physiciens.
Cette découverte aidera les physiciens à mieux comprendre les quarks, un type de particule élémentaire qui est un élément fondamental de toute matière. Les quarks se lient ensemble pour former des particules composites appelées hadrons, qui comprennent les protons et les neutrons. Cette nouvelle découverte peut maintenant aider les physiciens à comprendre les façons complexes dont les quarks se lient entre eux pour former ces composites.
Le premier tétraquark composé de plus de deux quarks du même type
Les quarks se combinent généralement en groupes de deux (mésons) et de trois (baryons) pour former des hadrons. Pendant des décennies, cependant, les théoriciens ont prédit l’existence de hadrons à quatre et cinq quarks, qui sont parfois décrits comme des tétraquarks et des pentaquarks et au cours des dernières années, des expériences incluant le LHCb ont confirmé l’existence de plusieurs de ces hadrons exotiques.
Ces particules constituées de combinaisons inhabituelles de quarks sont un « laboratoire » idéal pour étudier l’une des quatre forces fondamentales connues de la nature, l’interaction forte qui lie les protons, les neutrons et quark dans les noyaux atomiques qui composent la matière. Une connaissance détaillée de l’interaction forte est également essentielle pour déterminer si de nouveaux processus inattendus sont le signe d’une nouvelle physique ou simplement d’une physique standard.
« Les particules composées de quatre quarks sont déjà exotiques, et celle que nous venons de découvrir est la première à être composée de quatre quarks lourds du même type (ou saveur), en particulier deux quarks charm et deux antiquarks charm. Jusqu’à présent, le LHCb et d’autres expériences n’avaient observé que des tétraquarks avec deux quarks lourds au plus et aucun avec plus de deux quarks du même type », explique le porte-parole du LHCb, Giovanni Passaleva.
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Vers une meilleure compréhension de l’interaction forte
L’équipe LHCb a découvert le nouveau tétraquark en utilisant la technique de recherche de particules consistant à rechercher un excès d’événements de collision, connu sous le nom de « bosse », sur un fond lisse d’événements. En parcourant l’ensemble des jeux de données du LHCb des premier et second run du Grand collisionneur de hadrons, qui ont eu lieu de 2009 à 2013 et de 2015 à 2018 respectivement, les chercheurs ont détecté une bosse dans la distribution de masse des particules, qui consiste en un quark charm et un antiquark charm.
Le résultat possède une fidélité statistique de plus de cinq écarts-types, le seuil habituel pour revendiquer la découverte d’une nouvelle particule, et elle correspond à une masse à laquelle des particules composées de quatre quarks charm devraient exister. Comme pour les précédentes découvertes de tétraquark, il n’est pas complètement clair si la nouvelle particule est un vrai tétraquark, c’est-à-dire un système de quatre quarks étroitement liés ensemble, ou une paire de particules de deux quarks faiblement liées dans une structure semblable à une molécule . Quoi qu’il en soit, le nouveau tétraquark aidera les théoriciens à tester des modèles de chromodynamique quantique, la théorie quantique de l’interaction forte.
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