Département de Physique Nucléaire

Les particules élémentaires du modèle standard appelées quarks existent en six saveurs : up, down, étrange, charme, top et beau. L’immense majorité des hadrons, particules composées de quarks, sont des mésons, assemblages d’un quark et d’un antiquark, ou des bayons, assemblages de trois quarks. Par exemple le proton est composé essentiellement de deux quarks up et d’un quark down, alors que le neutron est composé de deux quarks down et d’un quark up. Néanmoins, rien n’interdit dans la théorie de l’interaction forte, la Chromodynamique Quantique, l’existence d’assemblages exotiques comme des tetraquarks, assemblages de deux quarks et de deux antiquarks, ou même des pentaquarks, assemblages de quatre quark et d'un antiquark. L’expérience LHCb du Cern a annoncé l’observation d’un pentaquark en juillet 2015. En ce qui concerne les tetraquarks, l'observation de premiers candidats est due à l’expérience Belle au Japon, en 2003. Depuis, une poignée d'autres candidats tetraquarks ont été observés dans différentes expériences comme Belle, Babar et CDF, mais la preuve indubitable que ces particules sont bien des tetraquarks n'est pas faite.

D0 est une des deux expériences installées sur le collisionneur proton-antiproton du Fermilab, aux Etats-Unis, le Tevatron. Bien que le collisionneur ait cessé de fournir des données en 2011, les groupes de physique continuent d’analyser les milliards de collisions enregistrées à la recherche de pépites comme le X(5568). Il se désintègre en un méson Bs (formé de quarks beau et étrange) et un pion (formé de quarks up et down) qui se désintègrent tous deux par interaction faible après des distances de vol caractéristiques. L’analyse des 10 inverse femtobarns de données enregistrées entre 2002 et 2011 identifie le Bs via ses produits de désintégration, un J/psi et un phi qui décroissent eux-mêmes en une paire de muons et une paire de mésons K chargés (voir figure ci-contre).

La distribution en masse (voir figure ci-contre) de l’état final formé d’un méson Bs et d’un pion montre un excès de 133 ± 31 événements sur le fond attendu (en pointillés sur la figure) à une masse de 5,568 GeV. La probabilité que cet excès provienne de la fluctuation du fond est inférieure à 1/6 millions (soit une significance de 5,1 sigma). C'est le signe de la production d'une particule inconnue jusque-là, le X(5568). La largeur du pic en masse du nouvel état est relativement grande, 22 MeV, ce qui indique que X(5568) se désintègre par interaction forte. Mais l'interaction forte ne permet pas de modifier la saveur des particules (contrairement à l'interaction faible). Si l'état final Bs+pion contient quatre saveurs différentes, c'est que l'état initial X(5568) contient aussi quatre saveurs différentes, donc nécessairement quatre quarks : ceci semble être la preuve de son exotisme.

Il s’agit maintenant de confirmer de façon indépendante l'existence de cette particule, ce qu'ont commencé à faire les expériences du LHC. Puis il faudra mesurer ses propriétés afin de comprendre comment cet état exotique se forme et quelle est sa structure interne, par exemple un état à quatre quarks liés (image de gauche) ou bien une « molécule » composée de deux paires de quarks (image de droite).

Contact : Boris Tuchming (DRF/Irfu/SPP)