La collaboration LHCb a décelé une nouvelle particule. D'après sa masse et ses autres propriétés, elle appartient clairement à la famille des charmoniums, qui comprend également la particule J/ψ, mieux connue. Cette dernière a été la première particule contenant un « quark charmé » (ou quark c) à être observée, ce qui valu à ses découvreurs le prix Nobel de  physique. De futures études sur les propriétés de ce nouvel état charmonium et de particules apparentées aideront les physiciens à mieux comprendre la force forte qui lie ensemble les quarks – les quarks étant ces particules qui figurent parmi les plus petites connues à ce jour.

Les charmoniums, qui sont des mésons, c’est-à-dire des particules composées de deux quarks, comprennent un quark c et son équivalent dans l’antimatière, un antiquark c. Sur les six différents types de quarks, les quarks c arrivent au troisième rang sur l’échelle des masses. Tout comme les atomes, les mésons peuvent être observés dans des états excités, c'est-à-dire présentant une énergie plus élevée, dans lesquels les quarks qui les composent orbitent les uns autour des autres selon différentes configurations. Ces dispositions variables donnent naissance à toute une gamme de particules ayant des masses et des propriétés quantiques différentes. L’une de ces propriétés quantiques est le spin, qui peut être vu comme la rotation d'un système autour de son axe.

Observer de tels états excités, en mesurant leurs propriétés, est un moyen de mettre à l’épreuve les modèles de la chromodynamique quantique (QCD), théorie qui décrit comment les quarks sont assemblés pour former des particules composites. De plus, la connaissance de l’ensemble de ces états sera une aide pour l’identification des états exotiques formés de plus de trois quarks, notamment les tétraquarks, que la QCD avait prédits mais qui n'ont été découverts que récemment. En effet, une fois répertoriés tous les états excités connus, il deviendra plus facile de repérer les états exotiques.
 
Pour sa quête du charmonium, la collaboration LHCb, l'une des quatre grandes expériences du Grand collisionneur de hadrons, a étudié, s’appuyant sur les données enregistrées entre 2011 et 2018, les désintégrations en paires de mésons D d’états charmonium résultant de collisions proton-proton ; les mésons D sont les particules les plus légères parmi celles qui contiennent des quarks c. La collaboration a d'abord mesuré la gamme de masses correspondant aux paires de mésons D, puis additionné le nombre de fois qu'était enregistrée chaque valeur de masse dans cet intervalle. Elle a ensuite recherché un excédent d'événements, c'est-à-dire une bosse, dans cette distribution des masses et a décelé un pic étroit correspondant à un état de charmonium jamais observé auparavant, qu'elle a appelé ψ3(1D). La particule a une valeur de spin 3 ; il s’agit de la première observation d'un état de charmonium ayant cette valeur de spin. La valeur élevée du spin pourrait expliquer l'étroitesse du pic et le fait qu'il ait fallu tant de temps pour trouver cette particule.

Pour plus d'informations, consultez le site web de LHCb.