6 juillet 2017
La collaboration LHCb annonce l’observation d’une nouvelle particule « doublement charmée »

La collaboration LHCb a annoncé aujourd’hui la première observation d’une nouvelle particule, composée de quarks charmés et d’un quark up, le Ξ cc++ (« Xi cc »). L’existence de cette particule était prédite par le modèle des quarks sans qu’elle ait pu être observée jusqu’à présent. La masse de cette particule, 3 621 MeV, est presque quatre fois plus élevée que celle du proton. Pour cette découverte, présentée aujourd’hui à la conférence internationale EPS-HEP 2017, les équipes françaises du Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL, CNRS/ CNRS/Université Paris Sud), et du Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE, CNRS/Université Pierre et Marie Curie/Université Paris Diderot) ont été en première ligne.

La grande majorité de la matière qui nous entoure est faite de particules à trois quarks, les baryons. Les plus connus d’entre eux sont le proton et le neutron, composés de quarks up et down. Il existe six types (ou saveurs) de quarks et de très nombreuses combinaisons possibles pour former des baryons. Cependant, c’est la première fois que les physicien.ne.s des particules observent des baryons composés de deux quarks lourds.

Ce résultat, très bientôt soumis par la collaboration LHCb à Physical Review Letters, a été obtenu avec les collisions proton-proton du LHC à 8 TeV et 13 TeV enregistrées pendant les deux premières périodes d’exploitation du LHC (runs 1 et 2). L’observation du Ξ cc ++ dans l’état final Λc+ K- π+ π + atteint une signification statistique supérieure à douze écarts types (ou sigmas) dans les données prises en 2016. Cette découverte a ensuite été confirmée avec un échantillon indépendant enregistré en 2012. En combinant les deux lots, le nombre d’événements du signal s’élève à 426±39. La particule parcourt aussi une distance perceptible avant de se désintégrer qui implique que la désintégration s’effectue par l’interaction faible.

Une seule autre expérience, SELEX au Fermilab de Chicago, avait signalé une observation d’un baryon contenant deux quarks charmés. Cherchant des baryons de charge électrique +1 dans l’état final Λ c+ K- π + , ils avaient trouvé un signal d’environ 16 événements en 2002 et une indication d’environ 6 événements en 2004. Cependant, ces observations n’ont pas été confirmées pas une autre expérience. Bien qu’elle ne résolve pas complètement ce mystère, la particule découverte par LHCb est plus lourde que celle de SELEX (103 MeV). Il est donc peu probable que la structure observée par SELEX soit l’état « jumeau »Ξ cc+(ccd) dont la masse ne différerait que de quelques MeV de celle du Ξ cc++.

L’observation of Ξ cc++ ouvre un nouveau champ d’étude, puisqu’un ensemble de particules “doublement lourdes” (contenant des quarks beaux ou charmés) sont également prédites, et vont être maintenant cherchées au LHC. Cette découverte va permettre de tester très précisément la chromodynamique quantique, théorie qui décrit l’interactions forte.

Les cinq laboratoires LHCb en France, signataires de cette découverte

  • Centre de physique des particules de Marseille (CPPM, CNRS/Université Aix-Marseille)
  • Laboratoire de l’accélérateur nucléaire (LAL, CNRS/Université Paris Sud)
  • Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de physique des particules (Lapp, CNRS/Université Savoie Mont Blanc)
  • Laboratoire de physique de Clermont (LPC, CNRS/Université Clermont Auvergne)
  • Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE, CNRS/Université Pierre et Marie Curie/Université Paris Diderot)
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