Les physiciens de la collaboration LHCb (Large Hadron Collider beauty) au CERN ont découvert une particule inconnue jusqu’à présent, composée d’un quark charme et de son homologue antimatière, l’antiquark charme. La masse et les autres propriétés de la nouvelle particule, ψ3(1D), la placent carrément dans la famille des charmoniums qui comprend le plus connu méson J/ψ, qui a été la première particule contenant un quark de charme à être découverte.
L’une des premières collisions d’ions lourds avec des faisceaux stables enregistrées par le LHCb. Crédit image : CERN.
Les particules de charmonium sont des particules à deux quarks (appelées mésons) composées d’un quark de charme et d’un antiquark de charme.
Tout comme les atomes, les mésons peuvent être observés dans des états excités de plus haute énergie, dans lesquels les quarks constitutifs des mésons se déplacent les uns autour des autres dans différentes configurations.
Ces différentes configurations donnent naissance à une gamme de particules ayant des masses différentes et des propriétés quantiques telles que le spin, qui peut être considéré comme la rotation d’un système autour de son axe.
L’observation de ces états excités et la mesure de leurs propriétés permettent de tester les modèles de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui décrit comment les quarks s’assemblent pour former des particules composites.
De plus, la connaissance de l’ensemble de ces états permet d’identifier les états exotiques comportant plus de trois quarks, comme les tétraquarks, qui sont également prédits par la CDQ mais n’ont été découverts que récemment. Si tous les états excités sont pris en compte, les scientifiques peuvent être plus sûrs que ceux qui restent sont exotiques.
Pour attraper la nouvelle particule charmonium, les physiciens de la collaboration LHCb ont étudié les désintégrations des états charmonium produits dans des collisions proton-proton en paires de mésons D (les particules les plus légères contenant des quarks de charme), en utilisant des données enregistrées entre 2011 et 2018.
Les chercheurs ont mesuré la gamme de masses des paires de mésons D, puis ont additionné le nombre de fois où ils ont enregistré chaque valeur de masse dans la gamme mesurée.
Ils ont ensuite cherché un excès d’événements, ou bosse, dans cette distribution de masse, et ont trouvé un nouveau pic étroit à une masse qui correspond à un état charmonium précédemment non observé, ψ.3(1D).
La particule a une valeur de spin de 3, ce qui en fait la première observation d’un état charmonium de spin 3.
La valeur élevée du spin pourrait expliquer la faible largeur du pic et le fait qu’il ait été si long à trouver.
“La masse observée (3842.72 MeV/c2) et la largeur naturelle étroite (2.79 MeV) suggèrent l’interprétation du nouvel état comme étant le ψ3(1D) charmonium”, ont déclaré les physiciens.
“Cela représente le premier état de charmonium de spin 3 observé”.
Les scientifiques ont annoncé cette découverte le 26 février lors de l’atelier international ”International Workshop”.Collisions e+e- de Phi à Psi 2019.’
