Une étude, dont les résultats intitulés «Observation of structure in the J/ψ-pair mass spectrum» sont disponibles en pdf sur arxiv.org, rapporte que la collaboration LHCb a observé un type de particule inédit, comprenant quatre quarks. Cette nouvelle particule «est vraisemblablement la première d’une catégorie de particules non observées auparavant».

Relevons que si, généralement, «les quarks s'assemblent par groupe de deux ou trois pour former des particules appelées hadrons», depuis des décennies, «les théoriciens postulent l'existence d’hadrons constitués de quatre ou cinq quarks, appelés parfois tétraquarks et pentaquarks». Des expériences menées ces dernières années, en particulier celles du LHCb, ont confirmé l'existence de certaines de ces particules exotiques.

En fait, les particules «constituées de combinaisons inhabituelle de quarks» constituent un 'laboratoire' idéal pour l'analyse «de l'une des quatre forces fondamentales connues de la nature, l'interaction forte, qui fait tenir ensemble les protons, les neutrons et les noyaux atomiques». Alors que, jusqu'ici, «LHCb et les autres expériences avaient observé uniquement des tétraquarks comprenant au maximum deux quarks lourds, et aucun ayant plus de deux quarks du même type», la nouvelle particule découverte «est la première composée de quatre quarks lourds du même type, à savoir deux quarks c et deux antiquarks c».

L’équipe de LHCb a trouvé «ce nouveau tétraquark en utilisant la technique de chasse aux particules consistant à chercher dans les données issues des collisions un excédent d'événements, c'est-à-dire une 'bosse' se détachant de la courbe qui représente les événements constituant le bruit de fond». Cette bosse a été repérée «dans la distribution des masses d'une paire de particules J/ψ, constituées d'un quark c et d'un antiquark c», en «passant au crible l'intégralité des données collectées par LHCb pendant la première et la deuxième exploitation du Grand collisionneur de hadrons, de 2009 à 2013 et de 2015 à 2018 respectivement».

Cette bosse, qui «a une signification statistique de plus de cinq écarts-types, seuil usuel à partir duquel on peut parler de découverte d'une nouvelle particule», correspond «à une masse où sont censées se trouver les particules composées de quatre quarks c».

Cependant, «comme pour les tétraquarks découverts précédemment, on ne sait pas exactement si cette nouvelle particule est un 'véritable' tétraquark, c'est-à-dire un système composé de quatre quarks liés étroitement les uns aux autres, ou une paire de particules à deux quarks, les deux particules étant faiblement liées selon une structure comparable à celle d’une molécule». En tout cas, quel que soit la réponse, ce nouveau tétraquark «aidera les théoriciens à tester les modèles de chromodynamique quantique, la théorie qui décrit l'interaction forte».