Dans les années 1960, les physiciens Gell-Mann et Zweig ont indépendamment proposé l’existence de particules subatomiques appelées quarks. Leur modèle a réussi à décrire les particules qui interagissent par la force forte – les hadrons – comme étant constituées de deux ou trois quarks. Dans le même temps, les théoriciens ont également prédit l’existence de hadrons exotiques avec plus de trois quarks, dont les propriétés ne correspondraient pas au modèle de quark des hadrons conventionnels.
Le tétraquark X(3872), découvert par l’expérience Belle en 2003, a été le premier état exotique observé. Cela a été suivi par une série de candidats tétraquarks observés par plusieurs expériences. Même les propriétés des hadrons sont très difficiles à prédire, l’étude et la détection des hadrons exotiques permettent aux physiciens d’obtenir de nouvelles compréhensions de la force forte à des échelles de basse énergie.
En 2020, un éventuel tétraquark d’une masse d’environ 6,9 GeV a été observé par l’expérience LHCb dans l’étude des paires de mésons J/ψ dans l’état final à quatre muons. La particule, appelée X(6900), est un hadron exotique qui peut être constitué de deux quarks charmés et de deux antiquarks charmés à l’état lié. X(6900) a été observé sous la forme d’un pic étroit dans le spectre de masse à quatre muons, à côté d’une large structure dont la nature reste incertaine. Cette structure peut être liée à d’autres canaux de désintégration tels que J/ψ+ψ(2S), qui n’ont pas été étudiés. Le méson ψ(2S) est un état résonnant excité de J/ψ. L’avantage de ces types de tétraquarks entièrement lourds (c’est-à-dire avec des quarks bottom ou charm “lourds”) est leurs calculs théoriques simplifiés, facilitant la comparaison avec les expériences.
Dans une nouvelle analyse présentée à la conférence ICHEP 2022, les physiciens d’ATLAS ont trouvé des preuves d’un excès de quark à quatre charmes (également appelé “di-charmonium”). Pour leur analyse, les chercheurs ont étudié à la fois la paire J/ψ et les canaux de désintégration J/ψ+ψ(2S) dans des événements avec quatre muons dans l’état final en utilisant l’ensemble de données Run-2 complet.
Ce résultat a été obtenu grâce à l’excellent système d’identification des muons d’ATLAS et à son système dédié de sélection d’événements de physique B. Cela a permis aux chercheurs de parcourir une énorme quantité de données à faible impulsion pour sélectionner des événements de signal à quatre muons avec une grande pureté pour l’analyse physique. Les physiciens ont reconstruit les candidats di-charmonium en utilisant deux paires de di-muons de charges opposées, dont les pistes internes du détecteur proviennent d’un sommet commun. Pour obtenir la meilleure résolution de masse, les chercheurs fixent des contraintes sur la masse des di-muons. Ils ont également utilisé une combinaison de simulations de Monte Carlo et de méthodes basées sur les données pour estimer les divers processus de fond.
ATLAS a trouvé un excès significatif de données sur le bruit de fond total dans le spectre de masse des paires J/ψ (voir figure). Comme LHCb, X(6900) et une large structure au seuil sont observés. La signification combinée est bien au-dessus des 5 dérivations standard requises pour une découverte. Un modèle de trois résonances interférentes décrit bien le spectre. Un excès composé de deux structures avec une significativité de 4,6 écarts-types est également observé dans le canal J/ψ+ψ(2S). L’un d’eux pourrait être lié à X(6900) dans le canal à paires J/ψ, et l’autre a une masse de résonance d’environ 7,2 GeV. Les chercheurs ont également testé la possibilité d’une structure unique avec une grande largeur.
Plus de données sont nécessaires pour comprendre la nature de ces résonances et structures. Par exemple, d’autres résonances pourraient contribuer aux structures larges. Si l’excès dans le canal J/ψ+ψ(2S) est pleinement confirmé, son alimentation vers le canal paire J/ψ devrait également contribuer à la structure du seuil. Les données du prochain run 3 du LHC permettront aux physiciens de mieux étudier les propriétés intéressantes de ces résonances.
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