La collaboration LHCb a récemment rapporté avoir observé pour la première fois la désintégration du méson B_c⁺ (composé de deux quarks lourds, les quarks b et c) en un état lié charme-anticharme, J/ψ, et en une paire de pions, π⁺π⁰. L’expérience LHCb a également observé, lors du processus de désintégration, qu’une particule intermédiaire, un méson ρ⁺, s’est formée pendant un court laps de temps, avant de se désintégrer en une paire π⁺π⁰.

Le méson B_c⁺ est le plus lourd des mésons ; il ne peut se désintégrer que par interactions faibles, via la désintégration d’un de ses quarks constitutifs. Les désintégrations du méson B_c⁺ en un nombre impair d’hadrons légers et en un J/ψ (ou en d’autres états liés charme-anticharme, appelés « charmoniums ») ont été étudiés de manière approfondie et il a été établi qu’elles concordaient de façon remarquable avec les prédictions théoriques. La désintégration d’un B_c⁺ en un J/ψ et en une paire π⁺π⁰ est la manière la plus simple dont un méson B_c⁺ peut se désintégrer en un charmonium et en un nombre pair d’hadrons légers. La principale raison pour laquelle cette désintégration n’avait encore jamais été observée tient au fait qu’il est très difficile, dans un environnement de collisions proton-proton dans le LHC, de reconstruire précisément un méson π⁰ de basse énergie via sa désintégration en une paire de photons.

Une mesure précise de la désintégration B_c⁺→J/ψπ⁺π⁰ permettra de mieux comprendre sa possible contribution en tant que source de bruit de fond pour l’étude d’autres désintégrations de mésons B_c et de désintégrations rares de mésons B⁰. D’un point de vue théorique, les désintégrations d’un méson B_c en un J/ψ et en un nombre pair de pions sont étroitement liées aux désintégrations du lepton τ en un nombre pair de pions, et à l’annihilation e⁺e^– en un nombre pair de pions. Des mesures précises de l’annihilation e⁺e^– conduisant à la production de deux pions dans la région des masses du méson ρ (comme dans le cas de la désintégration du méson B_c évoquée dans le présent article) sont cruciales pour l’interprétation des résultats de la mesure du moment magnétique anomal du muon par l’expérience g-2 au Fermilab, dans la mesure où l’annihilation e⁺e^– à basse énergie conduisant à la production d’hadrons est une importante source d’incertitude concernant les mesures de g-2.

Le rapport entre la probabilité de la nouvelle désintégration et celle de la désintégration B_c⁺→J/ψπ⁺π⁰ a été calculé par différents théoriciens au cours des 30 dernières années. À partir de la valeur obtenue par l’expérience LHCb, à savoir 2,80±0,15±0,11±0,16, il est désormais possible de vérifier ces prédictions, et il s’avère que la plupart d’entre elles concordent avec le résultat obtenu par LHCb.

Grâce à l’important volume de quarks b produits lors des collisions au LHC et à la puissance de son détecteur, l’expérience LHCb peut étudier de manière approfondie la production, les modes de désintégration et d’autres propriétés du méson B_c⁺. Depuis la découverte du méson par l’expérience CDF auprès du Tevatron, 18 nouvelles désintégrations du B_c⁺ ont été observées (avec une signification statistique de plus de cinq écarts-types), toutes par l’expérience LHCb.

Pour en savoir plus, lire l'article correspondant de l’expérience LHCb.