La curieuse histoire du tétraquark X(4140)

La physique des particules semble simple, on observe un excès par rapport au fond attendu qui est interprété comme le signe d’une nouvelle particule, d’abord avec peu de sigmas, qui s’accumule jusqu’à atteindre cinq sigmas et une découverte est proclamée. Cela ne pourrait pas être plus simple. Mais ce n’est pas toujours aussi simple. En 2008, le détecteur CDF du Tevatron a observé la résonance Y(4140) à 3,8 sigma (LCMF, 19 mars 2009). Elle a été confirmée par le CMS du LHC en 2012 à 5,5 sigma, mais sa découverte n’a pas pu être proclamée ; Ni Belle en 2010, ni LHCb en 2012, ni plus tard BaBar en 2015 n’ont réussi à l’observer (LCMF, 5 décembre 2012). Une situation inconfortable, surtout pour CDF, le premier découvreur. Son expérience sœur, DZero du Tevatron, lui est venue en aide, qui l’a observé en 2014 à 3,1 sigma. CDF a décidé de réanalyser ses données originales jusqu’à atteindre 5 sigma en 2017. Avec deux expériences dépassant cette limite, une découverte devrait être proclamée. Mais le doute planait et des articles théoriques furent également publiés contre l’existence de Y(4140).

Dans cette situation, la seule option était d’essayer d’observer la particule avec d’autres modes de production. DZero a publié de nouvelles preuves en 2015, mais BESIII en 2015 n’a toujours rien observé. Il semblait que le nom Y(4140) était un mauvais sort ; Le nom a dû être changé en X(4140). La balle était dans le camp de LHCb, dans son analyse des collisions de l’ensemble de la première exploitation du LHC (2011-2012). LHCb a publié l’observation de X(4140) avec 8,4 sigma en 2017 ; De plus, ses nombres quantiques étaient J^PC = 1⁺⁺ce qui indiquait qu’il s’agissait d’un tétraquark formé de deux paires quark-antiquark de type charme (c) et de type(s) étrange(s). L’affaire ne faisait aucun doute. En fait, LHCb a publié ses recherches sur les collisions de l’exploitation 2 du LHC (2016-2018) en 2021, obtenant 13 sigmas. La particule a été découverte en dehors de tout ; Pour les livres d’histoire, son découvreur fut CDF.

Evidemment, vous vous demanderez ce qui s’est passé, pourquoi Belle, BaBar, BESIII et LHCb, ce dernier au début, n’ont pas pu observer ce tétraquark. La raison est simple, comme LHCb l’a révélé en 2017, il existe quatre particules très proches, X(4140), X(4274), X(4500) et en arrière-plan. Ce n’est que grâce à la haute résolution énergétique de LHCb que les pics ont été clairement séparés en 2017 (comme le montre la figure qui ouvre cet article) ; Ainsi, ces particules de nombres quantiques J ont été observées avec 8,4, 6,0, 6,1 et 5,6 sigma, resp.^PC = 1⁺⁺1⁺⁺0⁺⁺et 0⁺⁺. En 2021 à LHCb, ils ont été observés dans deux modes de production (comme le montre la figure juste au-dessus) avec 13 (16), 18 (18), 20 (20) et 17 (18) sigmas. Tout doute disparaît face à de tels chiffres. Dans ce type d’études sur les hadrons exotiques, LHCb est sans égal. Mais le découvreur de X(4140) pour les livres d’histoire reste CDF.

Ceux qui souhaitent estimer la masse et la largeur de ces tétraquarks peuvent consulter les articles de LHCb, dont j’ai extrait les chiffres, qui sont de la collaboration LHCb, « Observation of 𝐽/𝜓⁢𝜙 Structures Consistent with Exotic States from Amplitude Analysis of 𝐵 +→ 𝐽/𝜓⁢𝜙⁢𝐾+ Decays », Physical Review Letters 118 : 022003 (11 janvier 2017), doi : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.022003, arXiv:1606.07895 [hep-ex] (25 juin 2016) ; et LHCb Collaboration, « Observation de nouvelles résonances se désintégrant en 𝐽/𝜓⁢𝐾+ et 𝐽/𝜓⁢𝜙 », Physical Review Letters. 127 : 082001 (17 août 2021), doi : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.082001, arXiv:2103.01803 [hep-ex] (02 mars 2021). L’article qui initie cette histoire est CDF Collaboration, « Evidence for a Narrow Near-Threshold Structure in the 𝐽/𝜓⁢𝜙 Mass Spectrum in 𝐵+→𝐽/𝜓⁢𝜙⁢𝐾+ Decays », Physical Review Letters 102 : 242002 (15 juin 2009), doi : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.242002, arXiv:0903.2229 [hep-ex] (12 mars 2009), et sa réanalyse est CDF Collaboration, « Observation of the Y(4140) structure in the J/ψϕ Mass Spectrum in B±→J/ψϕK cays », Modern Physics Letters A 32 : 1750139 (27 juillet 2017), doi : https://doi.org/10.1142/S0217732317501395, arXiv:1101.6058 [hep-ex] (31 janvier 2011) ; Cet article est paru en 2011 sur arXiv, soumis à Physical Review Letters, où il a été rejeté ; Il a fini par être publié en 2017, c’est pourquoi je l’ai cité comme article de 2017 (ce qui, en plus, était bon pour le fil de l’histoire ; je m’excuse auprès de tous ceux qui se sentent trompés par cette licence poétique). Et je suis désolé pour ceux que ça intéresse, mais j’omets les autres articles cités (CMS, Belle, LHCb, BaBar, Dzero et BESIII).