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Les pentaquarks sont des particules composées de cinq quarks, prédites dès 1997 dans le cadre de la théorie de la chromodynamique quantique. Le premier pentaquark est observé en 2003, et plusieurs autres suivront par la suite. Toutefois, l’organisation des quarks à l’intérieur des pentaquarks restait encore un mystère pour les physiciens. Mais des données récentes issues du LHCb révèlent que la structure interne d’un pentaquark serait en réalité un état méson-baryon lié.

L’un est un méson, un type de particule contenant une paire de quark-antiquark ; l’autre est un baryon à trois quarks : la particule subatomique qui constitue la majeure partie de la matière ordinaire de l’Univers, y compris les protons et les neutrons. Cela confirme que les quarks ne sont pas simplement disposés en vrac, mais sont plutôt structurés de façon similaire à la manière dont les protons et les neutrons sont liés dans un noyau atomique — ce que les chercheurs appellent un état « moléculaire ».

Ces particules composites ont été observées pour la première fois au LHC. En analysant les données des détecteurs, les physiciens avaient alors identifié deux pentaquarks, Pc (4450) + et Pc (4380) +. Le nombre dans le nom de la particule fait référence à sa masse en mégaélectron volts (MeV), atteignant plus de quatre fois la masse d’un proton. Au regard de ces masses, les chercheurs avaient alors déduit qu’elles provenaient d’un agencement de cinq quarks.

Les quarks se déclinent en six types (ou saveurs) : up, down, top, bottom, charm et strange ; chacune de ces saveurs possède un équivalent d’antimatière. L’équipe a déterminé que les pentaquarks sont chacun composés de deux quarks up, un quark down, un quark charm et un antiquark charm — bien que la façon dont ils étaient structurés restait encore un mystère.

Une structure méson-baryon cohérente avec les données recueillies

La deuxième série d’observations du LHC s’étant terminée l’année dernière, l’équipe disposait de neuf fois plus de données sur les collisions. Dans cet ensemble de données, ils ont découvert non seulement un nouveau pentaquark de masse inférieure — Pc (4312)+, mais ils ont également constaté que la plage de masse de Pc (4450)+ couvrait deux pentaquarks superposés (mais distincts), Pc (4440)+ et Pc (4457)+. Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.

structure pentaquark

Les données sur les masses issues du LHCb révèlent une structure interne méson-baryon liée des pentaquarks. Crédits : APS/Carin Cain

Sur le même sujet : Des physiciens ont découvert une nouvelle particule mystérieuse contenant cinq quarks

Donc, au total, cela fait quatre pentaquarks — Pc (4312)+, Pc (4440)+, Pc (4457)+ et Pc (4380)+. Et les trois premiers sont cohérents avec les masses de trois couples distincts de candidats méson-baryon, ce qui représente l’énergie nécessaire pour lier les particules entre elles. Bien sûr, il est possible que les masses de pentaquarks aient une structure interne différente, et que ce ne soit que par coïncidence qu’elles s’alignent si parfaitement avec les masses méson-baryon, mais cela reste peu probable.

Il est également possible que l’état moléculaire des pentaquarks ne soit pas la seule architecture de ces particules, et il se peut qu’il en existe d’autres encore plus complexes à découvrir. Davantage de recherches et de données aideront à résoudre le mystère. Par exemple, une équipe distincte de physiciens a déjà déterminé que le modèle moléculaire implique l’existence de quatre masses de pentaquarks jamais découvertes auparavant.

Sources : Physical Review Letters

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