L’expérience LHCb rapporte l’observation de pentaquarks exotiques

La collaboration a soumis un article rapportant ces résultats à la revue Physical Review Letters.

« Le pentaquark n’est pas n’importe quelle nouvelle particule, explique Guy Wilkinson, porte-parole de LHCb, car il est composé de quarks, à savoir les constituants fondamentaux des protons et des neutrons, assemblés selon une configuration qui, en plus de cinquante ans de recherches expérimentales, n’avait encore jamais été observée. L’étude de ses propriétés pourrait nous permettre de mieux comprendre comment est constituée la matière ordinaire, c’est-à-dire les protons et les neutrons dont nous sommes tous composés. »

Notre compréhension de la structure de la matière a été révolutionnée en 1964, quand le physicien Murray Gell-Mann, des États-Unis, a proposé une distinction entre deux catégories de particules : d’une part les baryons, qui comprennent les protons et les neutrons et sont composés de trois objets possédant des charges fractionnaires appelés quarks, et d’autre part les mésons, qui sont composés de paires quark-antiquark. Gell-Mann a reçu en 1969 le prix Nobel de physique pour ses travaux sur ce sujet. Le modèle des quarks permet aussi l’existence d’autres états composites de quarks, notamment des pentaquarks composés de quatre quarks et d’un antiquark. Jusqu’ici, cependant, aucune observation concluante de l’existence des pentaquarks n’avait été rapportée.

Les scientifiques de LHCb ont cherché des états pentaquark en examinant la désintégration d’un baryon appelé Λb (Lambda b) en trois autres particules, un J/ψ (J-psi), un proton et un kaon chargé. L’étude du spectre des masses du J/ψ et du proton a révélé que leur production faisait parfois intervenir des états intermédiaires. Ceux-ci ont été appelés Pc(4450)+ et Pc(4380)+, le premier apparaissant sous la forme d’un pic clairement visible dans les données, tandis que le second est nécessaire pour décrire entièrement les données.

« Profitant des très nombreuses données fournies par le LHC et de l’excellente précision de nos détecteurs, nous avons examiné toutes les possibilités pour ces signaux, et concluons qu’ils peuvent être expliqués uniquement par des états pentaquark, explique Tomasz Skwarnicki, physicien à LHCb et membre de l’Université de Syracuse. Pour être plus précis, ces états doivent être formés de deux quarks u, d’un quark d, d’un quark c et d’un antiquark c. »

Les expériences précédentes qui ont cherché des pentaquarks n’ont pas obtenu de résultats probants. S’il en va autrement pour LHCb, c’est parce qu’elle a été en mesure de chercher des pentaquarks à partir de nombreux angles différents, et que toutes les observations ont mené à la même conclusion. C’est un peu comme si les études précédentes avaient cherché des silhouettes dans l’obscurité, tandis que LHCb menait ses recherches en plein jour, et sous tous les angles. La prochaine étape de l’analyse consistera à étudier la manière dont les quarks sont liés à l’intérieur des pentaquarks.

« Les quarks pourraient être liés étroitement, indique Liming Zhang, physicien à LHCb et membre de l’Université de Tsinghua. Ou alors ils pourraient être liés faiblement et former une sorte de molécule méson-baryon, dans laquelle le méson et le baryon seraient sensibles à une force forte résiduelle semblable à celle qui lie les protons et les neutrons à l’intérieur des noyaux. »

Des études supplémentaires seront nécessaires pour trancher entre ces possibilités, et pour découvrir ce que les pentaquarks peuvent encore nous apprendre. Les nouvelles données que LHCb collectera pendant la deuxième période d’exploitation du LHC permettront d’avancer sur ces questions.