La collaboration LHCb a observé un type de particule inédit, comprenant quatre quarks. Cette nouvelle particule, présentée récemment lors d'un séminaire au CERN et décrite dans un article déposé aujourd'hui sur le serveur de prépublication arxiv.org, est vraisemblablement la première d’une catégorie de particules non observées auparavant.

La découverte devrait aider les scientifiques à mieux comprendre les façons complexes dont les quarks se lient les uns aux autres pour former des particules composites comme les protons et les neutrons, présents dans les noyaux atomiques.

Généralement, les quarks s'assemblent par groupes de deux ou trois pour former des particules appelées hadrons. Depuis des décennies toutefois, les théoriciens postulent l'existence d’hadrons constitués de quatre ou cinq quarks, appelés parfois tétraquarks et pentaquarks, et, ces dernières années, des expériences, dont LHCb, ont confirmé l'existence de plusieurs de ces particules exotiques. Ces particules, constituées de combinaisons inhabituelles de quarks, sont un « laboratoire » idéal pour l'étude de l'une des quatre forces fondamentales connues de la nature, l'interaction forte, qui fait tenir ensemble les protons, les neutrons et les noyaux atomiques qui constituent la matière. Il est également essentiel de connaître précisément l'interaction forte pour déterminer si les nouveaux processus non prédits sont ou non le signe d'une nouvelle physique.

« Les particules constituées de quatre quarks sont déjà exotiques, et celle que nous venons de découvrir est la première composée de quatre quarks lourds du même type, à savoir deux quarks c et deux antiquarks c », a déclaré Giovanni Passaleva, porte-parole sortant de la collaboration LHCb. « Jusqu'à présent, LHCb et les autres expériences avaient observé uniquement des tétraquarks comprenant au maximum deux quarks lourds, et aucun ayant plus de deux quarks du même type. »

« Ces particules exotiques lourdes sont des cas extrêmes, et elles constituent pourtant des objets assez simples théoriquement, avec lesquels il est possible de tester des modèles pouvant ensuite être utilisés pour expliquer la nature des particules de la matière ordinaire, comme les protons ou les neutrons. Les observer pour la première fois dans des collisions au LHC est donc très intéressant », explique Chris Parkes, nouveau porte-parole de LHCb.

L’équipe de LHCb a découvert ce nouveau tétraquark en utilisant la technique de chasse aux particules consistant à chercher dans les données issues des collisions un excédent d'événements, c'est-à-dire une « bosse » se détachant de la courbe qui représente les événements constituant le bruit de fond. En passant au crible l'intégralité des données collectées par LHCb pendant la première et la deuxième exploitation du Grand collisionneur de hadrons, de 2009 à 2013 et de 2015 à 2018 respectivement, les scientifiques ont repéré une bosse dans la distribution des masses d'une paire de particules J/ψ, constituées d'un quark c et d'un antiquark c. Cette bosse a une signification statistique de plus de cinq écarts-types, seuil usuel à partir duquel on peut parler de découverte d'une nouvelle particule, et elle correspond à une masse où sont censées se trouver les particules composées de quatre quarks c.

Comme pour les tétraquarks découverts précédemment, on ne sait pas exactement si cette nouvelle particule est un « véritable » tétraquark, c'est-à-dire un système composé de quatre quarks liés étroitement les uns aux autres, ou une paire de particules à deux quarks, les deux particules étant faiblement liées selon une structure comparable à celle d’une molécule. Quel que soit le cas de figure, le nouveau tétraquark aidera les théoriciens à tester les modèles de chromodynamique quantique, la théorie qui décrit l'interaction forte.

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Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site web de l'expérience LHCb (en anglais).