Les membres de la collaboration LHCb devant le détecteur du Cern. © Cern-Maximilien Brice-Rachel Barbier

Sciences

Le LHC découvre des états excités du baryon lambda b

ActualitéClassé sous :physique , lhcb , baryon

Toujours pas de signe d'une nouvelle physique au LHC mais les physiciens améliorent tout de même leurs connaissances du paysage découvert par les pionniers du modèle standard il y a quarante ans : deux nouveaux états excités du baryon lambda contenant un quark b, avec b comme beau, viennent d'être découverts dans les données collectées par le détecteur LHCb.

On connaît six quarks différents dans la nature. Les trois premiers avaient été prédits théoriquement au début des années 1960 par plusieurs théoriciens à partir de la théorie des groupes découverte par Galois au début du XIXe siècle. Parmi les trois derniers introduits par la suite dans le cadre du modèle standard de la physique des particules, le quark b découlait par nécessité des travaux de Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa, basés sur ceux de Nicola Cabibbo.

Ces six quarks se combinent par deux ou par trois pour former des mésons et des baryons. Les différentes combinaisons de particules forment déjà un riche zoo mais ce bestiaire est encore plus varié que ce qu'une réflexion naïve pourrait conclure. En effet, tout comme les atomes, les quarks forment des systèmes présentant des états d'énergie. Des collisions peuvent donc les exciter, donnant de nouvelles particules instables plus lourdes et aux caractéristiques différentes.

Une vidéo de présentation du détecteur LHCb. © /YouTube

De tels états excités avaient déjà été observés dans les détecteurs Atlas et CMS. C'est maintenant au tour d'un autre détecteur du LHC d'annoncer la découverte de nouvelles particules de ce type, bien que prédites depuis longtemps par la théorie.

Les résonances d'un hypéron 5 fois plus lourdes qu'un proton

Les physiciens de la collaboration LHCb ont en effet analysé les données collectées grâce à quelque 60 millions de millions de collisions proton-proton obtenues pendant la période d'acquisition de données de 2011 et ils y ont trouvé deux nouvelles « résonances », c'est le terme consacré en physique quantique des particules, dont les masses sont respectivement de 5.912 MeV et 5.920 MeV, soit des particules presque cinq fois plus lourdes que le proton ou le neutron. Il s'agit d'états excités d'un baryon formé d'un quark u, d'un quark d et enfin d'un quark b, c'est-à-dire un hypéron lambda b.

Schéma montrant les résonances (voir les explications dans le texte) dans la production, au-dessus du bruit de fond, de deux états excités d'un hypéron lambda neutre contenant un quark b (signal violet au-dessus du bruit de fond noir). En abscisse, la masse des particules (en MeV). © Cern

Tout comme des stations de radio se manifestent comme des résonances au-dessus du bruit de fond des ondes électromagnétiques ambiantes pour l'oscillateur d'un poste de radio, lorsque des faisceaux de particules entrent en collision, il existe des bandes d'énergie où la production de particules de masses données se fait de façon très importante. Ces particules étant instables, les lois de la mécanique quantique leur imposent de ne pas avoir une masse absolument déterminée mais qui varie autour d'une valeur moyenne, comme on peut le voir dans les mesures représentées sur le schéma ci-dessus, montrant la détection des deux nouveaux états excités de l'hypéron.

On pourra trouver l'article scientifique exposant les détails de la découverte des membres de la collaboration LHCb sur arxiv.