La collaboration LHCb, au Grand collisionneur de hadrons du CERN, a découvert une nouvelle particule composée de deux quarks charmés et d’un quark down, structure semblable à celle du proton, à part que les deux particules lourdes sont des quarks charmés et non des quarks up, ce qui lui confère une masse quatre fois plus élevée. Cette découverte, présentée à la conférence de Moriond en cours, aidera à mieux comprendre comment la force forte relie les protons, les neutrons et les autres particules composites.

Les quarks sont des constituants fondamentaux de la matière qui se déclinent en six saveurs : up, down, charme, étrange, top et bottom. Généralement, ils s'assemblent par groupe de deux, pour former des mésons, ou de trois, pour former des baryons. Toutefois, contrairement au proton, particule stable, la plupart de ces mésons et baryons (qui forment la catégorie des hadrons) sont instables et éphémères, et donc difficiles à observer. Pour les produire, on fait entrer en collision des particules de haute énergie dans un accélérateur tel que le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Ces hadrons instables se désintègrent rapidement, mais les particules plus stables produites lors de la désintégration peuvent, elles, être détectées, et leur présence permet de déduire les propriétés de la particule d’origine.

Cette approche a été utilisée à maintes reprises pour découvrir de nouveaux hadrons. Avec cette nouvelle particule, annoncée par la collaboration LHCb, le nombre d’hadrons découverts par les expériences LHC s’élève désormais à 80.

« C’est la première particule identifiée depuis les travaux d’amélioration du détecteur LHCb terminés en 2023, et seulement la seconde fois qu’un baryon composé de deux quarks lourds a été observé, le premier l’ayant été par le détecteur LHCb il y a près de 10 ans , précise Vincenzo Vagnoni, porte-parole de LHCb. Ce résultat aidera les théoriciens à tester les modèles de la chromodynamique quantique, théorie qui décrit l'interaction forte liant les quarks, grâce à laquelle ils vont former non seulement les baryons et les mésons, mais aussi des hadrons exotiques tels que les tétraquarks et les pentaquarks. »

En 2017, la collaboration LHCb avait annoncé la découverte d’une particule très similaire, composée de deux quarks charmés et d’un quark up. Ce quark up, à la place du quark down dans la nouvelle particule, est la seule différence entre ces deux hadrons atypiques. Toutefois, la nouvelle particule a une durée de vie prédite jusqu’à six fois plus courte que celle de 2017, du fait d’effets quantiques complexes. Cela la rend encore plus difficile à observer.

En analysant les données issues de collisions proton-proton enregistrées par le détecteur LHCb durant la troisième période d’exploitation du LHC, la collaboration LHCb a observé le nouveau baryon avec une signification statistique de sept sigmas, bien au-dessus du seuil de cinq sigmas fixé pour pouvoir parler de découverte.

« Ce résultat très important est un exemple brillant du rôle essentiel que joue l’expérience LHCb dans la réussite du LHC grâce à ses capacités uniques, souligne Mark Thomson, directeur-général du CERN. Cela montre combien les améliorations apportées aux expériences au CERN contribuent directement à de nouvelles découvertes, ouvrant la voie aux avancées scientifiques majeures attendues avec le LHC à haute luminosité. Ces avancées sont possibles uniquement grâce à la performance exceptionnelle du complexe d’accélérateurs du CERN et aux équipes chargées de son exploitation, et grâce également à l’engagement des scientifiques travaillant sur l’expérience LHCb. »

Plus d'informations (en anglais) : 
La présentation de LHCb à Moriond est disponible ici
L'article de LHCb