La collaboration LHCb observe pour la première fois un tétraquark doublement chargé et son partenaire neutre.

1er septembre 2023

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

L'observation de particules exotiques insaisissables est l'objectif principal de nombreuses études, car cela pourrait ouvrir de nouvelles pistes de recherche, tout en améliorant les connaissances actuelles sur la matière contenue dans l'univers et sa physique sous-jacente. Le modèle des quarks, un modèle théorique introduit en 1964, a prédit l'existence de particules subatomiques élémentaires appelées quarks dans leurs différentes configurations.

Les quarks et les antiquarks (l'équivalent de la matière noire des quarks) sont prédits pour être des constituants de diverses particules subatomiques. Celles-ci comprennent des particules "conventionnelles", telles que des mésons et des baryons, ainsi que des particules plus complexes composées de quatre ou cinq quarks (c'est-à-dire des tétraquarks et des pentaquarks, respectivement).

L'expérience Large Hadron Collider beauty (LHCb), un effort de recherche impliquant un grand groupe de chercheurs dans différents instituts du monde entier, essaie d'observer certaines de ces particules fascinantes depuis plus d'une décennie, en utilisant des données recueillies au collisionneur de particules LHC du CERN en Suisse. Dans un article récemment publié dans Physical Review Letters, ils ont signalé la toute première observation d'un tétraquark doublement chargé et de son partenaire neutre.

"Au cours de la dernière décennie, l'expérience LHCb a réalisé un travail pionnier dans la découverte de particules dites exotiques", a déclaré Yasmine Sara Amhis, coordinatrice de physique de l'expérience LHCb, à Phys.org. "Le LHCb a découvert le premier pentaquark en 2015, et cela a ouvert la voie à de nombreuses autres découvertes. L'objectif principal de la recherche de LHCb sur les particules exotiques est de découvrir quels tétraquarks et pentaquarks existent et de cartographier leurs propriétés, en particulier en découvrant les autres particules dans lesquelles ils se désintègrent et leurs nombres quantiques."

Actuellement, il existe plusieurs modèles phénoménologiques différents décrivant les tétraquarks et les pentaquarks, prédisant notamment comment les quarks se lient pour former ces particules. En observant ces particules et en mesurant leurs propriétés, la collaboration LHCb pourrait aider à déterminer lesquels de ces modèles sont corrects, tout en identifiant des divergences ou des inexactitudes.

Dans le cadre de leur étude récente, les chercheurs ont analysé des données collectées lors des deux premières expériences menées au LHC. Celles-ci ont couvert une période de deux ans, entre 2011 et 2018.

"L'analyse qui a conduit à cette découverte est très sophistiquée et il est juste de dire qu'elle est un exemple de l'une des études les plus 'difficiles' réalisées au sein de notre collaboration", a expliqué Amhis. "Le nom d'origine de l'expérience LHCb provient du principal sujet de recherche historique, qui portait sur les quarks b et leurs produits. La paire de tétraquarks signalée dans cet article a été observée grâce à une technique appelée analyse d'amplitude. Cette approche repose sur le comportement quantique des particules et leur capacité à interférer les unes avec les autres."

L'analyse complexe réalisée par la collaboration LHCb pourrait être décrite comme une analyse combinée axée sur les symétries. Les symétries sont d'une importance cruciale en physique des particules et jouent un rôle majeur dans le modèle standard, la théorie fondamentale des particules et des forces qui les gouvernent.

"Les symétries sont également puissantes car elles permettent de déduire des similitudes et des relations entre les particules", a déclaré Amhis. "L'isospin, la symétrie qui relie les deux particules mentionnées dans cet article, indique que leur masse et leur largeur sont les mêmes. Cela permet à l'analyse combinée d'être plus sensible aux propriétés de ces particules qu'une analyse individuelle de chaque partenaire d'isospin aurait pu l'être."

À ce jour, la collaboration LHCb a publié plus de 600 articles, observant plusieurs particules et phénomènes physiques pour la première fois. La plupart de leurs études ont confirmé la solidité et la fiabilité du modèle standard de la physique des particules, mais certaines ont également conduit à de nouvelles découvertes passionnantes.

'Papers like this one show that discoveries, including some unexpected ones, remain possible,' Amhis said. 'More than 70 new hadronic particles have been discovered at the LHC, by far most of them at LHCb, As we learn more about which hadrons exist and their properties, we gain new understanding of the strong force, one of the four fundamental forces in nature, which binds quarks into hadrons. This understanding in turn opens new doors in searching for physics beyond the Standard Model, by reducing theoretical uncertainties associated with such searches which are caused by an imperfect understanding of the strong force.'

The recent work by the LHCb could soon inform further theoretical and experimental studies examining the physics of tetraquarks. Meanwhile, the LHC's third data collection run has begun, and the collaboration has significantly upgraded its equipment.

During this third run, the LHCb expects to collect five times more data per year compared to previous experimental runs. Their hope is that this new data will lead to more fascinating discoveries and observations.

'The improved detector is expected to gain another factor of two in the study of hadrons in particular, for a total factor of 10,' Amhis added.

'In addition, LHCb now has a much-improved system for injecting gases into the detector volume, so it can study not only proton collisions but also the collision of protons with a wide variety of nuclei. This opens yet another door to the understanding of exotic hadrons, by studying their formation in different types of collisions. In our next works, we plan to pursue all axes to gain a deeper understanding of these particles: searching for new exotic hadrons, measuring the properties of known exotic hadrons more precisely, and looking for known and new exotic hadrons in different types of collisions.'

Journal information: Physical Review Letters

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