CERN Accelerating science
Cette mise à jour médiatique fait partie d’une série liée à la conférence de physique du Grand collisionneur de Hadrons 2020, qui se tiendra du 25 au 30 mai 2020. Initialement prévue à Paris, la conférence se tient entièrement en ligne en raison de la pandémie de COVID-19.
Les collaborations ALICE, CMS et LHCb au CERN présentent de nouvelles mesures qui montrent comment des particules charmées – des particules contenant des quarks de charme – peuvent servir de “messagers” de deux formes de matière constituées de quarks et de gluons : les hadrons, qui constituent la majeure partie de la matière visible dans l’univers actuel ; et le plasma quark-gluon, qui aurait existé dans l’univers primitif et peut être recréé lors de collisions d’ions lourds au Grand Collisionneur de hadrons (LHC). En étudiant les particules charmées, les physiciens peuvent en apprendre davantage sur les hadrons, dans lesquels les quarks sont liés par des gluons, ainsi que sur le plasma quark–gluon, dans lequel les quarks et les gluons ne sont pas confinés dans les hadrons.
Les principaux résultats sont les suivants :
L’équipe LHCb a obtenu les mesures les plus précises à ce jour de deux propriétés d’une particule connue sous le nom de xc1 (3872), un hadron contenant des quarks de charme. La particule a été découverte en 2003 et on ne sait toujours pas s’il s’agit d’un hadron à deux quarks, d’un hadron plus exotique tel qu’un tétraquark – un système de quatre quarks étroitement liés entre eux – ou d’une paire de particules à deux quarks faiblement liées dans une structure semblable à une molécule. Cerner la nature de ce hadron pourrait permettre aux physiciens de mieux comprendre comment les quarks se lient aux hadrons. ” Nos résultats concordent avec le fait que xc1(3872) est une paire de particules de deux quarks liées de manière lâche, mais cela n’exclut pas totalement l’hypothèse du tétraquark ou d’autres possibilités “, explique Giovanni Passaleva, porte-parole de LHCb.
La collaboration CMS a observé pour la première fois la transformation, ou “désintégration”, d’une autre particule, appelée B0s, en la même particule xc1(3872). Les chercheurs ont comparé cette désintégration avec la désintégration précédemment observée du méson B +, qui avait conduit à la première détection du xc1 (3872) en 2003. Les deux types de désintégration relient le comportement de ce hadron aux quarks up et étranges. “Les différences mesurées dans les taux de désintégration sont intrigantes et pourraient fournir un éclairage supplémentaire sur la nature du xc1 (3872), qui n’a pas encore été complètement établie”, explique Roberto Carlin, porte-parole de CMS.
La collaboration ALICE a mesuré le flux dit elliptique de hadrons contenant des quarks de charme, dans des collisions d’ions lourds. Les hadrons sont créés lors de collisions qui créent également un plasma quark–gluon. Les hadrons contenant des quarks lourds, comme le quark charm, sont d’excellents “messagers” du plasma quark–gluon, ce qui signifie qu’ils contiennent des informations importantes à ce sujet. “Le modèle observé par ALICE indique que les quarks de charme lourds sont entraînés par l’expansion du plasma quark–gluon”, explique Luciano Musa, porte-parole d’ALICE.
Pour l’avenir, les collaborations du LHC visent à effectuer des mesures plus précises de ces messagers du monde quark en utilisant les données du prochain cycle du LHC, qui bénéficiera de configurations d’expériences largement améliorées.
Lisez plus ci-dessous pour une description complète de ces résultats.
Résultats du quark Charm liés aux hadrons
Les collaborations LHCb et CMS décrivent les résultats de leurs études sur un hadron connu sous le nom de xc1 (3872). La particule a été découverte en 2003 par l’expérience Belle au Japon, mais on ne sait toujours pas s’il s’agit d’un hadron à deux quarks, d’un hadron plus exotique tel qu’un tétraquark – un système de quatre quarks étroitement liés entre eux – ou d’une paire de particules à deux quarks faiblement liées dans une structure semblable à une molécule.
Cerner la nature de xc1(3872) pourrait permettre aux physiciens de mieux comprendre comment les quarks se lient aux hadrons. Les nouvelles études menées par les collaborations CMS et LHCb apportent un nouvel éclairage – mais ne révèlent pas encore complètement – sur la nature de cette particule.
En utilisant des techniques d’analyse sophistiquées et deux ensembles de données différents, l’équipe LHCb a obtenu les mesures les plus précises à ce jour de la masse de la particule et déterminé pour la première fois et avec une signification de plus de cinq écarts types la “largeur” de la particule, un paramètre qui détermine la durée de vie de la particule.
Jusqu’à présent, les chercheurs n’avaient pu obtenir que des limites supérieures sur les valeurs autorisées de ce paramètre. Les chercheurs du LHCb ont détecté des particules xc1 (3872) dans leurs ensembles de données à l’aide de la technique classique de chasse à la ” bosse” consistant à rechercher un excès (la bosse) d’événements de collision sur un fond lisse. Chaque ensemble de données a conduit à une mesure de la masse et de la largeur, et les résultats des deux ensembles de données sont en accord l’un avec l’autre.
” Nos résultats ne sont pas seulement les plus précis à ce jour, ils montrent également que la masse de xc1 (3872) est remarquablement proche de la somme des masses des mésons charmés D0 et D*0 “, explique Giovanni Passaleva, porte-parole de LHCb. “Ceci est cohérent avec xc1 (3872) étant une paire de particules de deux quarks liées de manière lâche, mais cela n’exclut pas complètement l’hypothèse du tétraquark ou d’autres possibilités.”
Pendant ce temps, en analysant un vaste ensemble de données enregistré au cours de trois ans, la collaboration CMS a observé pour la première fois la transformation, ou “désintégration”, de la particule B0s en xc1 (3872) et un méson ϕ. Cette particule à deux quarks, B0s, est une parente du méson B+, dans la désintégration duquel l’expérience Belle a détecté pour la première fois xc1 (3872). Comme l’équipe LHCb, l’équipe CMS a détecté xc1 (3872) en utilisant la technique de la bosse.
“Notre résultat est particulièrement intéressant car nous avons constaté que la vitesse à laquelle le B0s se désintègre en hadron xc1 (3872) et en méson ϕ est similaire à celle du B0 en xc1 (3872) et d’un méson anti-K0, alors qu’elle est environ deux fois plus faible que celle de la désintégration B+ précédemment observée en xc1 (3872) et en méson K+”, explique Roberto Carlin, porte-parole de CMS. “Dans ces désintégrations, différents quarks, autres que le quark inférieur, jouent un rôle”, explique Carlin. “Le fait que les taux de désintégration ne suivent pas un schéma évident peut éclairer la nature de xc1 (3872).”
Résultats du quark Charm liés au plasma quark–gluon
À l’autre extrémité du spectre de liaison au quark, la collaboration ALICE a mesuré le flux dit elliptique de hadrons contenant un quark charm, soit lié à un quark léger (formant un méson D), soit à un anticharm (faisant un méson J/ψ) dans les collisions d’ions lourds. Les hadrons contenant des quarks lourds, charm ou bottom, sont d’excellents messagers du plasma quark-gluon formé dans ces collisions. Ils sont produits dans les stades initiaux des collisions, avant l’émergence du plasma, et interagissent ainsi avec les constituants du plasma tout au long de son évolution, de son expansion rapide à son refroidissement et à sa transformation éventuelle en hadrons.
Lorsque les noyaux lourds n’entrent pas en collision frontale, le plasma est allongé et son expansion conduit à une modulation elliptique dominante de la distribution de l’élan des hadrons, ou écoulement. L’équipe ALICE a constaté que, à faible moment, le flux elliptique des mésons D n’est pas aussi grand que celui des pions, qui ne contiennent que des quarks légers, alors que le flux elliptique des mésons J / ψ est plus faible que les deux mais nettement observé.
“Ce modèle indique que les quarks de charme lourds sont entraînés par l’expansion du plasma quark–gluon”, explique Luciano Musa, porte-parole d’ALICE, “mais probablement dans une moindre mesure que les quarks légers, et que les mésons D et J / ψ à faible moment sont en partie formés par la liaison, ou recombinaison, des quarks en écoulement.”
Une autre mesure réalisée par l’équipe ALICE – du flux d’électrons provenant de désintégrations de hadrons B, contenant un quark de fond – indique que les quarks de fond sont également sensibles à la forme allongée du plasma quark–gluon. Les particules d’Upsilon, qui sont constituées d’un quark de fond et de son antiquark, par opposition à un charm et à un anticharm comme le J /ψ, ne présentent pas d’écoulement significatif, probablement en raison de leur masse beaucoup plus importante et du petit nombre de quarks de fond disponibles pour la recombinaison.
En savoir plus sur les sites web CMS et LHCb:
- https://cms.cern/news/discreet-charm-x3872
- https://lhcb-public.web.cern.ch/ Bienvenue.html #X(3872)2020
Papiers originaux:
- ALICE: https://arxiv.org/abs/2005.11131
- ALICE: https://arxiv.org/abs/2005.11130
- ALICE: https://arxiv.org/abs/2005.14518
- CMS: https://arxiv.org/abs/2005.04764
- LHCb: https://arxiv.org/abs/2005.13422
- LHCb: https://arxiv.org/abs/2005.13419
