La collaboration LHCb du CERN vient de confirmer hors de tout doute l’existence d’un état très exotique, quelque chose qui ressemble étrangement à une particule formée de quatre quarks. Aussi exotique qu’elle puisse paraître, cette particule porte le nom très pragmatique de Z(4430)–. Ce nom indique sa masse à 4430 MeV, soit environ quatre fois celle d’un proton, et signale qu’elle a une charge électrique négative. La lettre Z montre qu’elle appartient à une étrange série de particules communément regroupées sous l’appellation d’états XYZ.
Mais qu’est-ce que cet état a donc de si spécial? Le modèle conventionnel des quark est tout simple: il existe six quarks différents, chacun venant avec son antiparticule. Ces douze particules peuvent se combiner pour former des états liés en regroupant deux ou trois d’entre eux. Par exemple, les protons et des neutrons sont composés de trois quarks. Tous les états faits de trois quarks sont appelés baryons. D’autres particules comme les pions et les kaons, qu’on retrouve souvent dans les désintégrations de particules plus lourdes, sont formées d’un quark et d’un antiquark. Elles appartiennent à la catégorie des mésons. Les centaines de particules observées jusqu’en 2003 étaient toutes classifiées soit comme mésons, soit comme baryons.
Puis vint la grande surprise: en 2003, l’expérience BELLE trouva le premier état lié fait en apparence de quatre quarks. Beaucoup d’autres états exotiques similaires ont été observés depuis. Ces états ressemblent souvent à des états de charmonium ou de bottomonium, des particules qui contiennent respectivement un quark charmé et un antiquark charmé, ou un quark bottom et un anti-bottom. Au printemps dernier, la collaboration BESIII de Beijing a confirmé l’observation du Zc(3900)+, un état aussi détecté par BELLE.
Le 8 avril, la collaboration LHCb a rapporté avoir trouvé l’état Z(4430)– avec dix fois plus d’événements que tous les autres groupes précédents. Leur échantillon de données est si grand qu’il a permis à LHCb de mesurer certaines de ses propriétés sans équivoque. La détermination des nombres quantiques exacts d’une particule équivaut à l’obtention de ses empreintes digitales: cela permet aux physicien-ne-s de cerner plus exactement à quelle particule on a affaire. Il en ressort que l’état Z(4430)– serait formé d’un quark charmé, d’un antiquark charmé, d’un quark d et un antiquark u. Leur mesure exclut toutes autres possibilités.
La distribution de la masse (au carré) des 25200 mésons B se désintégrant en paires de ψ’ π– trouvés par LHCb dans l’ensemble de leurs données. Les points noirs représentent les données expérimentales et la courbe en rouge, le résultat de la simulation lorsqu’on inclut la présence du Z(4430)–. La courbe en pointillés juste en dessous en brun clair montre que la simulation ne peut reproduire les données si on supprime la contribution du Z(4430)–. Ceci établit clairement la présence de cette particule avec 13.9σ (c’est-à-dire le signal est 13.9 fois plus fort que toutes les fluctuations statistiques combinées possible. La fluctuation de chaque point est représentée par la petite ligne verticale qui lui est attachée).
Les théoricien-ne-s sont à pied d’oeuvre pour essayer d’imaginer un modèle pouvant décrire ces nouveaux états. S’agit-il d’états complètement nouveaux faits de quatre quarks liés ensemble, des tétraquarks, ou est-ce une étrange combinaison de deux mésons charmés (des mésons contenant au moins un quark charmé)? La question est toujours ouverte.
Pauline Gagnon
Pour être averti-e lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution
Pour plus de détails (en anglais) voir le site de l’expérience LHCb
Tags: exotique, LHCb, Tetraquark
