L'expérience LHCb a annoncé cette semaine la découverte d'une nouvelle particule pentaquark, appelée Pc (4312)+. Cette découverte jette un nouvel éclairage sur la nature de la famille de pentaquarks.

Fig: une structure possible des quarks dans un pentaquark (CERN)

L’expérience LHCb est une expérience ambitieuse réalisée au LHC (Large Hadron Collider ou grand collisionneur de hadrons), le «b» signifiant «beauté», l’une des entités décrivant le comportement des particules lourdes. Il s’agit d’une mission dédiée à l’étude des écarts par rapport au "modèle standard" de la physique des particules. 

Fig: Le détecteur LHCb (CERN)

Toute les matières que nous voyons autour de nous est constituée de minuscules entités fondamentales appelées «atomes» (provenant du mot grec «atomos» qui signifie «indivisible»), un peu comme les blocs de construction de Lego. Avec l'avènement des microscopes avancés, nous sommes maintenant en mesure d'examiner plus en profondeur les atomes. Les atomes ont une structure similaire à celle des systèmes planétaires; avec un noyau massif situé au centre, composé de neutrons neutres et de protons chargés positivement, et d'électrons légers chargés négativement qui les entourent en orbite, un peu comme les planètes tournant autour du soleil. Les neutrons, les protons et les électrons sont-ils alors les structures élémentaires qui construisent toute la matière?

Il se trouve que même les neutrons et les protons ont des structures composites; ils sont construits à partir de combinaisons de trois "quarks" avec des masses fractionnelles et des nombres quantiques (nombres définissant une certaine propriété conservée). Il est intéressant de noter que les quarks peuvent être de types différents, en fonction des noms: t (top), b (bottom), c (charm), s (strange), u (up) et d (down), avec des masses de plus en plus grandes. Selon le modèle standard, il existe quatre types de forces fondamentales qui régissent la nature; la gravité étant la plus faible, l'électromagnétisme (électricité et magnétisme décrits dans le même cadre), et les interactions nucléaires et particules régies par deux autres forces, appelées le «fort» et le «faible», en fonction de leurs forces relatives. Un hadron est un composé de particules subatomiques régi par l'interaction forte. Les hadrons peuvent être des mésons (paires quark-antiquark) ou des baryons (trois quarks).

Les particules inconnu dans le modèle conventionnel des quarks sont appelées hadrons exotiques. Lorsque Murray Gell-Mann a proposé le modèle de quark dans son article fondamental de 1964, il a évoqué la possibilité de hadrons exotiques tels que les pentaquarks, mais il a fallu 50 ans pour confirmer leur existence par des expériences. En juillet 2015, la collaboration LHCb avait signalé les structures Pc (4450)+ et Pc (4380)+ pentaquark. La nouvelle particule Pc (4312)+ est un membre plus léger de ces structures pentaquark et se désintègre en un proton et une particule J/ψ (composée d'un quark charm et d'un quark anticharm). Cette dernière observation a une signification statistique plus élevée d'un seuil traditionnel requis pour confirmer la découverte d'une nouvelle particule.

Fig: Une représentation alternative de quarks dans un antiquark (Daniel Dominguez/CERN)

L'analyse présentée récemment à la conférence des Rencontres de Moriond sur la chromodynamique quantique (QCD) a utilisé plus de données du grand collisionneur de hadrons que celle de 2015. L'ensemble de données a d'abord été analysé de la même manière que précédemment rapportées en 2015 et les paramètres des structures de pentaquarks étaient cohérents avec les résultats initiaux. Encore plus d'études expérimentales et théoriques sont nécessaires pour comprendre la structure interne des particules observés.

Voir aussi
https://home.cern/news/news/ph...

http://lhcb-public.web.cern.ch...

Debarati Chatterjee