LHCb unveils new particles
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The LHCb collaboration announces the observation of four “exotic” particles from its analysis of the LHC data.
On 28 June, the LHCb collaboration reported the observation of three new "exotic" particles and confirmation of the existence of a fourth one in data from the LHC. These particles each appear to be formed by four quarks (the fundamental constituents of the matter inside all the atoms of the universe): two quarks and two antiquarks (that is, a tetraquark). Due to their non-standard quark content, the newly observed particles have been included in the broad category of so-called exotic particles, although their exact theoretical interpretation is still under study.
The quark model, proposed by Murray Gell-Mann and George Zweig in 1964, is considered to be the most valid scheme for the classification of hadrons (all the composite particles) that has been found so far, and it is part of the Standard Model of particle physics. In the quark model, hadrons are classified according to their quark content. However, the fact that all observed hadrons were formed either by a pair of quark-antiquarks (in the case of mesons) or by three quarks only (in the case of baryons) was a mystery for many years. But, in the last decade, several collaborations have found evidence of the existence of particles formed by more than three quarks. For example, in 2009 the CDF collaboration found such a particle, known as X(4140) – where the number in parentheses is its reconstructed mass in megaelectronvolts. This result was later confirmed by a new CDF analysis and by the CMS and DØ collaborations.
The image above shows the data (black dots) of the mass distribution resulting from the association of the J/ψ and φ mesons, where the contribution of the four exotic particles is illustrated by the four peaks at the bottom.
Nevertheless, the quantum numbers – characteristic numbers with which the properties of a specific particle are identified – of X(4140) were not fully determined, and this ambiguity exposed the theoretical explanation to uncertainty. The LHCb collaboration has now been able to determine these numbers with high precision. This result has a significant impact on the possible theoretical interpretations and, indeed, it excludes some of the previously proposed theories on its nature.
“The studies are very tough,” says Guy Wilkinson, spokesperson of the LHCb collaboration, “requiring a sophisticated modelling of all possible processes contributing to what is seen in the detector, but our analysts are highly skilled in these techniques.”
While the X(4140) had already been seen, this is the first time that the observation of the three new exotic particles with higher masses, known as X(4274), X(4500) and X(4700), has been announced. Even though the four particles all have the same quark composition, they each have a unique internal structure and mass and their own sets of quantum numbers.
These results are based on a detailed analysis of the decay of a B+ meson into mesons called J/ψ, φ and K+, where the new particles appear as intermediate ones decaying to a pair of J/ψ and φ mesons. To perform this research, the LHCb physicists used the full set of data collected during the first LHC run, from 2010 to 2012. The large signal yield efficiently collected by the LHCb detector has allowed the collaboration to discover the three new particles, which were (literally, see the second picture) “peaking out” from the data.
“The Run 1 data set has allowed us to uncover these new particles,” Wilkinson continues. “The much larger sample which we have started to collect in Run 2 will allow for much more detailed studies of their properties, to help us understand better how the strong force builds hadrons from the constituent quarks.”
This news follows the discovery of the first two pentaquark particles by the LHCb collaboration last year.
“The results on the tetraquark, following on from the pentaquark discovery, shows what a rich and powerful facility the LHC is for improving our knowledge of hadronic spectroscopy,” Wilkinson happily notices. “This is a topic that was given little consideration when the LHCb experiment was being designed, but one for which the detector is remarkably well adapted,” he concludes.
More information on the tetraquark results is available on the LHCb website and in the two submitted scientific papers (see here and here).
Other (French)
La collaboration LHCb a annoncé l’observation de quatre particules « exotiques » à partir de son analyse des données du LHC.
Le 28 juin, la collaboration LHCb a annoncé avoir observé avec les données du LHC trois nouvelles particules « exotiques », et confirmé l’existence d’une quatrième. Ces particules semblent être formées chacune de quatre quarks (les constituants fondamentaux de la matière présents dans tous les atomes de l’Univers) : deux quarks et deux antiquarks (soit un tétraquark). En raison de leur composition en quarks non standard, les nouvelles particules observées ont été classées dans la vaste catégorie des particules « exotiques », même si leur interprétation théorique exacte est toujours à l’étude.
Le modèle des quarks, proposé en 1964 par Murray Gell-Mann et George Zweig, est considéré comme le système de classification des hadrons (toutes les particules composites) le mieux établi à ce jour ; il fait partie du Modèle standard de la physique des particules. Dans le modèle des quarks, les hadrons sont classés en fonction de leur composition en quarks. Toutefois, le fait que tous les hadrons observés jusque-là soient formés, soit d’une paire quark-antiquark (dans le cas des mésons), soit de trois quarks seulement (dans le cas des baryons), restait inexpliqué. Au cours de la dernière décennie, plusieurs collaborations ont trouvé des indices de l’existence de particules formées de plus de trois quarks. Par exemple, en 2009, la collaboration CDF a découvert l’une d’elles, appelée X(4140), le nombre entre parenthèses correspondant à la masse reconstruite de la particule en mégaélectronvolts. Ce résultat a ensuite été confirmé par une nouvelle analyse de CDF, puis par les collaborations CMS et DØ.
L’image ci-dessus montre les données (points noirs) de la distribution des masses découlant de l’association des mésons J/ψ et φ. La contribution des quatre particules exotiques est mise en évidence par les quatre structures en pointe en bas du graphique.
Néanmoins, jusqu’à présent, les nombres quantiques de la particule X(4140) – nombres caractérisant les propriétés d’une particule donnée – n’étaient pas tous connus. Grâce à la collaboration LHCb, ces nombres ont pu être déterminés avec une grande précision, ce qui a permis de mieux cerner les interprétations théoriques possibles, et d’exclure certaines des théories qui étaient proposées précédemment sur la nature de la particule.
« Les études menées sont très rigoureuses, souligne Guy Wilkinson, porte-parole de la collaboration LHCb, et exigent une modélisation sophistiquée de tous les processus susceptibles de contribuer à ce qui est observé dans le détecteur, mais nos analystes sont hautement qualifiés dans l’utilisation de ces techniques. »
Alors que la particule X(4140) avait déjà été observée, c’est la première fois que l’on annonce l’observation des trois nouvelles particules exotiques, aux masses plus élevées, appelées X(4274), X(4500) et X(4700). Si les quatre particules ont toutes la même composition en quarks, elles ont chacune une structure interne et une masse particulières, et leurs propres ensembles de nombres quantiques.
Ces résultats reposent sur une analyse approfondie de la désintégration d’un méson B+ en mésons appelés J/ψ, φ et K+, les nouvelles particules apparaissant comme des particules intermédiaires se désintégrant en une paire de mésons J/ψ et φ. Pour mener ces recherches, les physiciens de LHCb ont utilisé l’ensemble complet de données recueillies durant la première période d’exploitation du LHC, de 2010 à 2012. Grâce au grand nombre d’événements enregistrés efficacement par le détecteur LHCb, la collaboration a pu découvrir ces trois nouvelles particules, qui forment littéralement une pointe (voir la seconde image) dans les données.
« L’ensemble de données de la première période d’exploitation nous a permis de découvrir ces nouvelles particules, poursuit Guy Wilkinson. Grâce à l’échantillon beaucoup plus grand que nous avons commencé à recueillir durant la deuxième période d’exploitation, nous pourrons étudier leurs propriétés avec une plus grande précision, afin de tenter de mieux comprendre comment la force forte forme les hadrons en agissant sur les quarks qui les constituent. »
Cette découverte vient s’ajouter à celle des deux premiers pentaquarks faite par la collaboration LHCb l’année dernière.
« Les résultats obtenus sur les tétraquarks, qui font suite à la découverte des pentaquarks, montrent à quel point le LHC est une installation riche et puissante pour améliorer notre connaissance de la spectroscopie hadronique, s’enthousiasme Guy Wilkinson. Lorsque l’expérience LHCb a été conçue, ce sujet suscitait peu d’attention. Il s’avère que le détecteur est remarquablement bien adapté pour les études dans ce domaine », conclut-il.
Pour en savoir plus sur les tétraquarks découverts, consultez le site web de LHCb et les deux articles scientifiques soumis (voir ici et ici).
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- 2197520
- CDS Report Number
- BUL-NA-2016-123
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