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CERN (Francais) | Geneva | Switzerland

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Nouvelle particule composite découverte par ATLAS

Le 21 décembre, quelques heures après la fermeture officielle du CERN pour les fêtes de fin d’année, l’expérience ATLAS a terminé une année déjà bien remplie en publiant un article annonçant la découverte d’un nouvel état de quarkonium identifié comme étant le χb(3P), une particule prédite par la théorie.

Les particules de quarkonium sont composées d’un quark et son anti-quark. Un quark  charmé et son anti-quark donnent la famille de charmonium, et les b quark et anti-quark b, celle de bottomonium. Une série de masses et nombres quantiques de spin différents apparaît, suivant comment le système est lié ensemble. Les états ayant une plus grande masse se désintègrent en états plus légers tels que les J/ψ et Y pour les deux familles de quarkonia.

Plusieurs de ces états ont été prédits et observés dans le passé. Cette découverte apporte toutefois une parcelle d’information nouvelle qui contribuera à la résolution d’un problème fort complexe. La chromodynamique quantique (ou QCD) est la théorie qui décrit la force nucléaire forte, celle qui agit entre les quarks. Elle fait partie du Modèle Standard, l’édifice théorique de la physique des particules. En principe, on peut calculer directement les propriétés de toutes les particules composées de quarks, comme les protons ou les neutrons qui composent toute la matière ordinaire, ainsi que ces particules de quarkonia plus exotiques. Le problème c’est qu’il est mathématiquement très difficile d’effectuer ces calculs, souvent même impossible. Les théoriciennes et théoriciens ont donc recours à des modèles simplifiés qui leur permettent de faire des prédictions utiles. Les données recueillies sur ce nouvel état χb(3P) de la famille de bottomonium contribueront au raffinement de ces modèles.

Ce nouvel état est en fait le troisième d’une série. Les états χb(1P) and χb(2P) plus légers, ont été découverts dans les années 80 et 90 dans des collisionneurs d’électrons et positons. Quant au χb(3P), bien qu’il avait été prédit, il n’avait jamais été observé auparavant.

Le Grand Collisionneur de Hadrons (ou LHC) du CERN consiste en un tunnel de 27 km servant à accélérer des protons à près de la vitesse de la lumière. Deux faisceaux de protons circulent en sens inverse et entre en collision au centre de grands détecteurs comme ATLAS. Des particules lourdes mais instables émergent de ces collisions hautement énergétiques et se désintègrent en produisant des particules plus légères. Les détecteurs prennent des « photos » des débris de ces collisions pour tenter de savoir quelles particules ont été créées et comment elles se sont brisées. Chaque photo constitue un événement. Le but est de découvrir de quoi la matière est faite et comment elle interagit à l’échelle subatomique.

Les états χb sont décelés en sélectionnant les évènements contenant des états de bottomonium plus légers appelés ϒ(1S) ou ϒ(2S), plus un photon. A leur tour, les ϒ se désintègrent en deux muons. Les muons et photons sont captés par le détecteur. En les recombinant, on peut reconstruire les états initiaux de χb.

Le photon peut être détecté de deux façons dans ATLAS: soit en utilisant un système appelé le calorimètre électromagnétique, ou encore, lorsque le photon se converti en un électron et un positon en interagissant avec le matériel du détecteur, ces derniers étant captés par le trajectomètre. Dans ce cas, le trajectomètre étant plus précis, on obtient une meilleure mesure de l’énergie du photon.

Les résultats sont montrés ci-dessous. Les axes verticaux indiquent combien d’évènements contenant une paire de muons et un photon ATLAS a détecté dans les fragments de collisions et qui sont consistent avec une désintégration d’un χb(1P), χb(2P) ou χb(3P). L’échelle horizontale représente la masse. A mesure qu’elle augmente, le nombre d’évènements sélectionnés s’accroît puis décroît trois fois. Chaque pic correspond à un des trois états, et la position du pic donne la masse la plus probable de cet état.

Sur la figure du haut, le χb est reconstruit à partir d’évènements où le photon a été détecté dans le calorimètre et celle du bas, ceux captés par le trajectomètre. Les pics de la deuxième figure sont plus étroits parce que les photons sont mesurés plus précisément par le trajectomètre. La courbe en rouge correspond aux évènements où le χb s’est désintégré en ϒ(1S) et la courbe rose, ceux aboutissant en ϒ(2S).

La masse de ce nouvel état est égale à 10.54 GeV, soit dix fois celle d’un proton.  C’est légèrement plus que prévu, indiquant que les quarks sont moins liés que les modèles le prévoyaient.

On s’attend à ce que chacun des pics de la figure soit en fait formé de sous-pics distincts et rapprochés, venant des contributions d’états χb ayant des valeurs de spin différentes.

Avec la quantité de données actuellement disponible, il est impossible de les distinguer puisque la résolution limitée du détecteur embrouille tout et les empile. Plus de données viendront bientôt du LHC et cela permettra à ATLAS de même que CMS et LHCb de raffiner cette mesure.

Les théoriciens et théoriciennes auront alors de nouveaux repères pour calibrer leurs modèles et parvenir à mieux d’écrire la QCD. Mieux comprendre la force nucléaire est l’un des enjeux majeurs auxquels les physiciens et physiciennes des particules sont confrontés et ce nouvel état apporte une part d’information importante.

Pauline Gagnon

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