Expérience LHCb : tétraquarks et pentaquarks

« Saviez vous qu’au LHC, le grand collisionneur de hadrons du CERN, près de Genève, de nouvelles particules ont été mises en évidence en juillet 2015 et en juin 2016 ? »
A l’échelle la plus fondamentale, la matière est composée de quarks : ces constituants élémentaires s’associent par trois pour former le proton, le neutron, et bien d’autres particules, les baryons ; les mésons quant à eux sont constitués d’un quark et d’un anti quark. Mais en existe-t-il d’autres ? Formés de quatre, cinq quarks, ou plus ? Depuis une dizaine d’années, des indices s’accumulaient en faveur de ces structures multiquarks, les récentes découvertes au LHC le confirment : des tétraquarks et des pentaquarks peuvent se former dans la nature.

Sur cette œuvre où nous pénétrons au cœur de la matière lors des expériences LHCb au CERN, j’ai gardé un rêve et une liberté de formes et de couleurs : rose, vert, gris, bleu : peut-on imaginer, bien humblement, des couleurs dans l’infiniment petit ? On peut toujours rêver, et sur cet imaginaire j’ai posé les interactions entre quarks à partir des mésons B+ au centre de l’œuvre.

Au centre de l’œuvre en partant des mésons B+ composés chacun d’un quark anti b en grosse boule jaune et d’un quark u en petite bille rouge ou jaune selon le fond, nous commençons notre voyage dans la physique des particules juste dessous à gauche sur le fond gris et vert : trois flèches jaunes indiquent la désintégration d’un méson B+, passant par plusieurs états, et dont les produits finaux sont le J/psi (quarks C et anti C en boules orange), le Phi (quarks S et anti S en boules bleu marine) et le kaon+ (anti S en bleu marine et « u » en bille rouge).
Ces désintégrations sont la preuve que le tétraquark a bien existé.
Toujours sur l’œuvre et autour des mésons B+ au centre, nous remontons à gauche et nous croisons dans la partie rose et bleue deux photons « y » en lignes ondulatoires jaunes : ils s’échappent du plasma. Plus haut à gauche dans la partie grise et verte, nous retrouvons les désintégrations des trois produits finaux : J/psi, Phi et Kaon+.
En tournant à droite dans la partie rose et verte, au dessus des mésons B+ centraux, nous croisons un méson Phi (quarks S et anti S en boules bleu marine) qui se désintègre en deux photons notés « y » en lignes ondulatoires jaunes.
Nous redescendons à droite, autour des mésons B+ centraux, dans la partie grise où apparaissent à nouveau les désintégrations en trois produits finaux : J/psi, Phi et Kaon+. Juste au dessus toujours dans la partie gris clair on croise un méson DS+ et un méson DS-, provenant peut être ? de la désintégration d’un tétraquark ou d’un état dimoléculaire, cette hypothèse est symbolisée par un point d’interrogation sous les mésons.
Nous redescendons à droite dans la partie rose et bleue et nous croisons à nouveau deux photons. Plus bas toujours dans la partie grise, nous voici à nouveau devant les trois produits finaux : J/psi, Phi et Kaon. Puis en continuant juste sous les mésons B+ centraux, nous croisons à nouveau sur la partie rose et verte, deux photons notés « y » provenant de la désintégration du Phi (S et anti S en boules bleu marine).
Poursuivons le voyage un peu plus bas, sous ces deux photons, nous sommes en bas de l’oeuvre dans la partie bleu marine, bleu roi et grise et nous observons un pentaquark constitué des cinq quarks suivants : u, c, anti c, u, d.
p 25 : les pentaquarks et les tétraquarks ont une durée de vie inférieure à 10 puissance – 21 seconde, ils ne peuvent être directement détectés. On peut déduire qu’ils se sont formés en analysant les particules produites lors de leur désintégration. Il pourrait également s’agir de systèmes composés « di-moléculaires», et dans le cas des quatre tétraquarks détectés en 2016 de deux « molécules » DS DS associant deux mésons C anti S et anti C et S. Le pentaquark sur fond bleu marine et bleu roi se désintègre en un proton noté « uud » sur fond gris et un J/psi noté « C anti C » en deux boules orange sur fond gris. Juste dessous en bas au bord de l’œuvre est symbolisé le processus principal de désintégration du baryon Lambda b° : on suppose d’abord une désintégration en un méson J/psi et un baryon instable Lambda qui se désintègre à son tour en un proton sur fond vert et un kaon sur fond bleu marine, d’après les explications de l’encadré page 26 de Pour La Science.
Remontons maintenant à gauche dans la partie bleu marine où s’échappent deux photons en lignes ondulatoires jaunes. Juste au dessus à gauche sur fond bleu roi un baryon lambda b° se désintègre à nouveau en un proton et un kaon sur fond gris ainsi qu’en un J/psi en boules orangé un peu plus haut sur fond gris clair : le J/psi se désintègre à côté en deux muons (boules bleu roi sur fond gris clair et gris moyen. On croise le même processus plus haut à gauche avec le pentaquark sur fond bleu marine, le proton sur fond vert, le J/psi sur fond bleu marine. Idem en remontant à gauche : pentaquark sur fond gris, proton sur fond gris, J/psi sur fond bleu roi. Toujours plus haut sur fond vert et rose, apparaît à nouveau la désintégration du baryon lambda b° à 5,6 GeV : des flèches jaunes partent du baryon pour aboutir au kaon en boules bleu marine et rouge sur fond vert, au J/psi en boules orangé sur fond rose et au proton en billes rouges et verte sur fond gris clair.
Nous tournons en haut vers la droite et nous croisons un kaon+ sur fond bleu roi ainsi qu’un quark « s » en boule bleu marine , puis à nouveau le pentaquark sur fond gris, de part et d’autre deux flèches jaunes s’échappent en un J/psi sur fond rose et vert et un proton sur fond bleu roi et gris. En nous dirigeant à droite, nous croisons sur fond bleu marine un J/psi en deux quarks « c anti c » en boules orangé et au dessus un photon qui s’échappe vers l’extérieur du plasma.
Redescendons sur la droite dans la partie rose où à nouveau le baryon lambda b° se désintègre en un J/psi sur fond vert et un peu plus à droite le lambda excité se désintègre à son tour en un proton sur fond bleu marine et un kaon sur fond bleu roi. En redescendant à droite sur fond vert, un autre pentaquark apparaît, au bout des flèches on voit un proton sur fond bleu marine et un J/psi sur fond vert ainsi qu’un kaon ; toujours sur le fond vert un peu plus à droite, un méson phi en deux boules bleu marine se désintègre en deux photons sur fond bleu marine. Nous continuons à descendre à droite : un autre pentaquark apparaît, avec au bout des flèches jaunes un proton sur fond rose et un J/psi sur fond bleu marine.
Continuons à redescendre à droite : sur fond vert le baryon lambda b° donne au bout des flèches jaunes un kaon sur fond rose un J/psi sur fond bleu marine et gris qui, ensuite se désintègre en deux muons en boules bleu roi l’une sur fond gris et l’autre sur fond bleu marine, ainsi qu’un proton « uud » sur fond vert.
Juste dessous le proton apparaît un méson B+ composé d’un quark u et d’un anti b en jaune, dont la désintégration va donner dessous dans la partie bleu roi le tétraquark X 4140 (noté dans la partie rose) composé des quatre quarks : charme et anti charme en boules orangé et strange et anti strange en boules bleu marine. Nous voici en bas de l’oeuvre et au milieu où nous croisons à nouveau u J/psi avec ses deux boules orangé sur fond bleu marine et à côté un photon en ligne ondulatoire jaune sur fond gris.
Poursuivons notre route dans l’infiniment petit en tournant tout en bas sur la gauche : sur fond vert un nouveau baryon lambda b° donne au bout des flèches jaunes un J/psi en boules orangé et un proton ainsi qu’un kaon à côté à gauche en boule bleu marine et bille jaune sur fond rose : juste dessous un photon jaune s’échappe sur fond gris. Continuons à gauche en bas où apparaît à nouveau le tétraquark X 4140 en deux boules orangé et deux boules bleu marine sur fond gris : je reprends la lecture de l’encadré page 23 : s’agit-il d’états liés de quatre quarks (c anti c et s anti s) ou de « molécules » Ds Ds associant deux mésons c anti s et anti c s ? Il faudra attendre les données de la seconde phase d’exploitation du LHC, de 2015 à 2018, pour mieux comprendre leur structure.
En bas à gauche en s’approchant du bord de l’œuvre et dans le fond rose un photon jaune s’échappe et en dessous sur la gauche apparaît un méson B+ qui se désintègre en un tétraquark X 4140 en deux boules orangé et deux boules bleu marine ( c et anti c, s et anti s) sur fond vert et gris : cette particule est peut être composée de deux mésons Ds+ et Ds- symbolisés sur fond gris et sur fond vert tout en bas. Nous tournons tout en bas dans l’angle gauche au bord de l’œuvre et nous remontons lentement : le tétraquark X 4140 sur fond gris se désintègre en un méson phi composé de deux quarks « s » en bleu marine ainsi qu’en un J/psi composé de deux quarks « c » en orangé.
Plus haut le baryon lambda b° se scinde en un kaon sur fond vert et sur fond bleu roi ainsi qu’en un pentaquark qui à son tour va donner au bord de l’œuvre un J/psi en boules orangé sur fond bleu roi ainsi qu’un proton sur fond gris. Nous continuons à remonter sur le bord gauche et croisons des photons avant d’arriver devant un méson B+ sur le fond bleu marine : il se scinde en un pion + sur fond gris un kaon + sur fond vert et sur fond rose ainsi qu’un pion° un peu plus haut sur fond rose ; au bord de l’œuvre suit un photon sur fond rose.
En haut à gauche un méson phi en deux boules bleu marine se scinde en deux photons jaunes sur fond gris, plus haut un autre photon s’échappe sur fond bleu roi. A côté en tournant légèrement à droite un tétraquark X 4500, provenant d’un méson B+ dans la partie rose, se décompose en 10 puissance-21 secondes, en un J/psi en boules orangé ainsi qu’en un méson phi en boules bleu clair sur fond bleu marine ; tout en haut dans l’angle gauche et sur fond vert apparaissent un quark « s » en une boule bleu marine ainsi qu’un photon en ligne ondulatoire jaune.
Nous tournons vers la droite dans la partie bleu marine ou apparaissent les deux muons en bleu roi sur fond bleu marine ; au dessus un kaon- se scinde en deux pions- sur fond bleu marine ainsi qu’en un pion+ sur fond gris. Nous tournons à droite tout en haut et croisons un quark « s » en bleu marine ainsi que deux photons issus d’un méson phi (boules bleu marine) sur fond gris. Toujours en continuant à droite un baryon lambda ° composé de quarks udb sur fond gris nous conduit à un pentaquark composé d’un proton (billes jaunes et verte ainsi que d’un méson J/psi en deux boules orangé) au bord de l’oeuvre sur fond rose. Poursuivons à droite dans la partie verte où un pion° (deux billes rouges) se scinde en deux photons jaunes, à côté dans la partie rose un autre photon jaune s’enfuit au bord de l’oeuvre ; juste dessous dans la partie verte un J/psi en deux boules orangé se désintègre en deux muons en boules bleu marine. Nous croisons des quarks « s » en boules bleu marine avant d’arriver à droite dans la partie grise où nous croisons un méson phi (deux quarks « s » en boules bleu marine) qui se désintègre en deux photons jaunes. Nous arrivons dans l’angle droit tout en haut dans la partie bleu marine : nous apercevons un méson B+ qui nous conduit au tétraquark X 4274 qui va donner un J/psi en boules orangé ainsi qu’un méson phi en deux quarks « s » en colori bleu clair, ils se désintègrent ensuite, en 10 puissance -21 secondes, en deux photons jaunes dans l’angle droit tout en haut.
Encadré p 23 : la collaboration LHCb ajoute au tétraquark X 4140 trois autres, notés X 4274, X 4500 et X 4700, tous détectés dans les désintégration d’un méson B+ dont les produits finaux sont les trois mésons J/psi, phi et kaon+. Le tétraquark formé dans ce processus se désintègre rapidement pour donner les mésons J/psi et phi observés. Les nouvelles particules ont toutes la même composition en quarks (c anti c et s anti s), mais sont de masse différentes.
Redescendons maintenant sur le bord droit de l’œuvre : dans la partie bleu roi un pion° se scinde en deux photons jaunes. Plus bas dans la partie grise, un méson B+ se désintègre en un pion° et un pion- et sur fond rose en un kaon+ et un pion+. Tout au bord de l’oeuvre à droite et sur fond gris, un baryon lambda b° donne un kaon un proton « uud » et un J/psi en deux boules orangé ; juste dessous nous croisons un photon jaune sur fond rose. Plus bas sur fond gris, un autre lambda b° donne un J/psi en deux boules orangé ainsi qu’un lambda « excité » qui se désintègre à son tour en un proton et un kaon sur fond gris. Sur fond bleu marine tout au bord de l’œuvre s’échappe un photon jaune.
Plus bas toujours à droite et sur fond vert, apparaît le tétraquark X 4700 qui se scinde en un méson phi (deux boules bleu marine) sur fond bleu roi et en un méson J/psi (deux boules orangé) sur fond vert, un photon jaune suit tout au bord de l’œuvre. Plus bas un pion ° sur fond vert se scinde en deux photons jaunes sur fond gris. Nous arrivons en bas de l’œuvre à droite dans la partie bleu marine : deux photons jaunes s’échappent, puis apparaît un baryon lambda b° qui va donner un J/psi en deux boules orangé ainsi qu’un pentaquark (quark c et anti c en boules orangé et deux quarks « u » et un quark « d »). Plus bas on croise plusieurs mésons Ds en boules orange et bleu marine, produits de la résonance Y (4140).Tout en bas à droite dans l’angle nous croisons un méson phi en deux boules bleu marine qui se scinde en deux photons jaune sur fond bleu roi. En tournant lentement tout en bas vers la gauche, nous apercevons encore deux photons sur fond vert et sur fond bleu marine ainsi qu’un autre méson phi.
Le voyage dans l’infiniment petit se termine, et bien sur grâce au travail des chercheurs, nul doute que de nombreuses particules seront découvertes à l’avenir : j’espère vous conduire et vous faire partager dans d’autres œuvres, les mystères qui petit à petit se révèlent à nous au cœur de la matière.