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L’expérience LHCb découvre deux baryons jamais observés auparavant

19 novembre, 2014

Genève, le 19 novembre 2014. La collaboration de l’expérience LHCb auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN¹ a annoncé aujourd’hui la découverte de deux nouvelles particules de la famille des baryons. Ces particules, appelées Xi_b’^- et Xi_b*^-, avaient été prédites par le modèle des quarks mais n'avaient jamais été observées jusqu'ici. Une particule de la même famille, le Xi_b*⁰, avait été observée en 2012 par l’expérience CMS, au CERN. La collaboration LHCb a soumis un article sur sa découverte à la revue Physical Review Letters.

Comme les protons accélérés par le LHC, les nouvelles particules sont des baryons, constitués de trois quarks liés entre eux par la force forte. Ces quarks sont toutefois de types différents : les nouvelles particules X_ib contiennent toutes deux un quark b, un quark s et un quark d. En raison de la présence de quarks b, qui sont lourds, elles ont une masse plus de six fois supérieure à celle des protons. Les particules sont toutefois plus que la simple somme de leurs parties : leur masse dépend aussi de la manière dont elles sont configurées. Toute particule a une caractéristique appelée « spin ». Dans l’état Xi_b’-, les spins des deux quarks les plus légers sont de sens opposé à celui du quark b, tandis que, dans l'état Xi_b*-, ils sont de même sens. Du fait de cette différence, le Xi_b*^- est un peu plus lourd.

« La nature a été généreuse et nous a donné deux particules pour le prix d’une, indique Matthew Charles, du Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE) du CNRS, à l’Université Paris-VI. Le Xi_b’^- a une masse très proche de la somme des produits de sa désintégration : s'il avait été un tout petit peu plus léger, nous ne l’aurions pas vu du tout avec la signature de désintégration que nous cherchions. »

« Ce résultat est fantastique. Grâce à l’excellente identification des hadrons réalisée par LHCb, qui est unique parmi les expériences LHC, nous avons été en mesure de séparer du bruit de fond un signal très net et intense, explique Steven Blusk, de l’Université de Syracuse (New York). Cela nous montre une fois encore la sensibilité et la précision du détecteur LHCb. »

Outre la masse de ces particules, l’équipe de chercheurs a étudié leur taux de production relatif, leur largeur (une mesure de leur instabilité) et d’autres détails de leur désintégration. Les résultats correspondent aux prédictions fondées sur la théorie de la chromodynamique quantique (QCD).

La QCD fait partie du Modèle standard de la physique des particules, la théorie qui décrit les particules fondamentales de la matière, la manière dont elles interagissent et les forces qui s’exercent entre elles. Tester la QCD à une haute précision est crucial pour affiner notre connaissance de la dynamique des quarks, dont les modèles sont extrêmement difficiles à calculer.

« Si nous voulons découvrir une nouvelle physique au-delà du Modèle standard, nous devons d’abord en avoir une image nette, explique Patrick Koppenburg, coordinateur pour la physique de LHCb, de l’Institut Nikhef, à Amsterdam. Ces études de haute précision nous aideront à faire la différence, à l’avenir, entre des effets relevant du Modèle standard et tout élément nouveau ou imprévu. »

Les mesures ont été réalisées avec les données enregistrées au LHC en 2011-2012. Le LHC se trouve actuellement en phase de préparation, après son premier long arrêt, en vue d’un fonctionnement à des énergies plus élevées et avec des faisceaux plus intenses. Son redémarrage est prévu au printemps 2015.

Pour en savoir plus :

Liens vers l’article sur le site arXiv : http://arxiv.org/abs/1411.4849

Pour en savoir plus sur ce résultat, rendez-vous sur le site web de la collaboration LHCb : http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#StrBeaBa

Article sur l’observation d’une nouvelle particule Xi_b*⁰, sur le site web de la collaboration CMS : http://cms.web.cern.ch/news/observation-new-xib0-beauty-particle

Spectre de la différence de masse : le résultat de LHCb montre des indices probants de l'existence de deux nouvelles particules, le Xi_b’- (premier pic) et Xi_b*- (second pic), avec un niveau de confiance très élevé, de 10 sigmas. Les points noirs représentent les échantillons du signal et l’histogramme hachuré en rouge est un échantillon de contrôle. La courbe bleue représente un modèle intégrant les deux particules, mis en corrélation avec les données. Delta_m est la différence entre la masse de la paire Xi_b0 pi- et la somme des masses individuelles du Xi_b0 et du pi-. ENCADRÉ : Détail de la région du Xi_b’-, représentée avec des intervalles plus petits.

1. Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche en physique des particules du monde. Il a son siège à Genève. Ses États membres actuels sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Royaume-Uni, Slovaquie, Suède et Suisse. La Roumanie a le statut de candidat à l’adhésion. La Serbie est État membre associé en phase préalable à l’adhésion. Les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, l’Inde, le Japon, la Turquie, la Commission européenne et l’UNESCO ont le statut d'observateur.