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Observation of structures in the $J/\psi +\psi(2S)$ mass spectrum with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV, l'expérience ATLAS observe un excès significatif près de 6,9 GeV dans le spectre de masse $J/\psi + \psi(2S)$ avec une significativité combinée de 8,9 $\sigma$ , tout en ne trouvant aucun signal significatif près de 7,2 GeV et en déterminant le rapport des largeurs de désintégration partielle entre les canaux $J/\psi + \psi(2S)$ et di- $J/\psi$ pour la résonance de 6,9 GeV.

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

Publié 2026-06-26

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

La vue d'ensemble : À la recherche de voitures « fantômes » dans un embouteillage

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN comme une immense piste de course à grande vitesse où de minuscules particules appelées protons sont projetées les unes contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsqu'elles s'entrechoquent, elles créent une explosion chaotique de débris, un peu comme un énorme carambolage de voitures à une intersection très fréquentée.

La plupart du temps, ces débris ne sont que du « trafic » standard — des particules communes que les physiciens voient tout le temps. Mais parfois, pendant une fraction de seconde, une « voiture fantôme » rare et exotique apparaît. Cette voiture fantôme est un tétraquark, une particule composée de quatre quarks de type « charme » collés ensemble. Ces particules sont exotiques car les quarks viennent généralement par paires ou par triplets, et non par quatre.

En 2020, les scientifiques ont repéré pour la première fois l'une de ces voitures fantômes, nommée X(6900), car elle semblait peser environ 6,9 milliards d'électron-volts (GeV). Cependant, ils ne l'ont vue que lorsque la voiture fantôme se désintégrait en deux morceaux spécifiques (deux particules J/psi).

Cette nouvelle publication pose une question simple : Si cette voiture fantôme existe, se désintègre-t-elle aussi en un ensemble différent de morceaux ? Plus précisément, se brise-t-elle en un J/psi et un psi(2S) ?

L'enquête : Deux objectifs différents

L'équipe ATLAS du CERN a agi comme des détectives observant la scène de l'accident à travers deux objectifs de caméra différents :

Objectif A (4 muons) : Ils ont cherché la voiture fantôme se brisant en quatre muons (un type de l'électron lourd).
Objectif B (4 muons + 2 pions) : Ils ont cherché la voiture fantôme se brisant en quatre muons plus deux pions (un autre type de particule). Ce second objectif est comme une vue grand angle ; il capture davantage de débris de l'impact, ce qui facilite la détection de l'événement rare.

Ils ont analysé les données de 140 « femtobarns inverses » de collisions (une façon sophistiquée de dire qu'ils ont examiné une quantité énorme de données, équivalente à 140 trillions de trillions de collisions).

La découverte : Une sirène sonore dans le bruit

Lorsque les scientifiques ont trié les données, ils ont trouvé quelque quelque chose d'excitant. Dans les deux objectifs, il y avait une « bosse » ou un excès d'événements distinct autour de la marque des 6,9 GeV.

L'analogie : Imaginez que vous écoutez une pièce bondée remplie de gens qui discutent (le bruit de fond). Soudain, une personne spécifique crie un nom. Dans le premier objectif, vous avez entendu le cri clairement. Dans le second, vous l'avez entendu encore plus fort.
Le résultat : Le signal était si fort que la probabilité qu'il s'agisse d'un simple coup de chance est inférieure à une sur un milliard. En termes scientifiques, ils ont atteint une signification de 8,9 sigma. (Pour contexte, 5 sigma est le standard requis pour revendiquer une découverte ; 8,9 est une confirmation massive et indéniable).

Cela confirme que la voiture fantôme X(6900) existe et qu'elle peut effectivement se désintégrer dans la combinaison J/psi + psi(2S).

Le test du « Et si ? » : Existe-t-il une seconde voiture fantôme ?

Les scientifiques se sont également demandé s'il pourrait y avoir une seconde voiture fantôme, plus lourde que la première, située autour de 7,2 GeV. Ils ont nommé cette particule hypothétique X(7200).

L'analogie : C'est comme vérifier s'il y a une deuxième voiture plus lourde cachée dans le même carambolage.
Le résultat : Ils ont regardé très attentivement mais n'ont trouvé aucune preuve de cette seconde voiture. Ils ont établi une limite supérieure, affirmant essentiellement : « Si cette seconde voiture existe, elle est si rare que nous ne l'avons pas vue dans cet ensemble de données. »

Le lien : Comment la voiture fantôme se brise

L'une des découvertes les plus intéressantes concerne la manière dont le X(6900) se brise. L'équipe a comparé la fréquence à laquelle il se désintègre en deux particules J/psi par rapport à la fréquence à laquelle il se désintègre en un J/psi et un psi(2S).

L'analogie : Imaginez une boîte magique qui peut s'ouvrir de deux manières : soit elle laisse tomber deux balles rouges, soit une balle rouge et une balle bleue. Les scientifiques ont découvert que la boîte laisse tomber ces deux combinaisons à peu près au même rythme.
Le résultat : Le ratio de ces deux voies de désintégration est d'environ 1:1. Cela nous indique que la structure interne de ce tétraquark est très spécifique et symétrique, favorisant un type de rupture autant que l'autre.

Résumé des conclusions

Confirmation : L'expérience ATLAS a confirmé l'existence du tétraquark X(6900) en l'observant se désintégrer dans une nouvelle combinaison de particules (J/psi + psi(2S)).
Force : Les preuves sont extrêmement solides (8,9 sigma), ce qui en fait une observation définitive.
Pas de seconde voiture : Il n'y a aucune preuve d'une particule partenaire plus lourde (X(7200)) dans cet ensemble de données.
Modèle de désintégration : La particule se désintègre dans le nouveau canal à un taux presque identique à celui du canal ancien, suggérant une structure interne équilibrée.

En résumé, les scientifiques ont réussi à trouver la « voiture fantôme » sous un nouveau déguisement, prouvant qu'il s'agit d'un objet réel et stable (bien que de courte durée) dans le monde quantique, et ils en ont appris un peu plus sur la manière dont elle se brise.

Résumé technique : Observation de structures dans le spectre de masse $J/\psi + \psi(2S)$ avec le détecteur ATLAS

Problématique et motivation
La nature des hadrons exotiques, particulièrement les tétraquarks à quatre charmes ( $T_{cccc}$ ), demeure un domaine critique pour la compréhension de la chromodynamique quantique (QCD) dans le régime non perturbatif. Suite à l'observation en 2020 par la collaboration LHCb d'une résonance étroite proche de 6,9 GeV ( $X(6900)$ ) dans le spectre de masse di- $J/\psi$ , ainsi que les confirmations ultérieures par ATLAS et CMS, et les mesures récentes des nombres quantiques par CMS, il est nécessaire d'étudier si des structures résonantes similaires existent dans d'autres canaux de désintégration. Plus précisément, cette étude porte sur la recherche de structures résonantes dans le spectre de masse $J/\psi + \psi(2S)$ . Bien que le canal $J/\psi + \psi(2S)$ ait été précédemment étudié par ATLAS, cette analyse étend l'investigation en reconstruisant le mode de désintégration $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$ , qui offre une fraction de désintégration totale plus de deux fois supérieure à celle du mode $\psi(2S) \to \mu^+\mu^-$ , augmentant ainsi le rendement potentiel du signal.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton à $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 140 fb $^{-1}$ , enregistrées par le détecteur ATLAS durant la période 2015–2018. L'étude se concentre sur deux canaux de désintégration :

$J/\psi + \psi(2S) \to 4\mu$
$J/\psi + \psi(2S) \to 4\mu + 2\pi$ (via $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$ )

Sélection d'événements et estimation du bruit de fond :
Les événements sont sélectionnés à l'aide de déclencheurs (triggers) di-muon et tri-muon. Les candidats au signal nécessitent quatre muons formant deux paires de charges opposées cohérentes avec les masses de $J/\psi$ et $\psi(2S)$ . Pour le canal $4\mu+2\pi$ , deux traces supplémentaires de charge opposée sont requises. Un ajustement (fit) simultané est effectué en utilisant des régions de signal (SR) et des régions de contrôle (CR). Les SR et les CR sont définies en fonction de la distance angulaire $\Delta R$ entre les deux candidats charmonia ( $\Delta R < 0,25$ pour les SR, $\ge 0,25$ pour les CR). Cette stratégie permet de contraindre les normalisations du bruit de fond et de valider la forme du bruit de fond de diffusion de parton unique (SPS).

Les bruits de fond sont classés comme suit :

Autres : Événements avec au plus un charmonium réel (estimés via des méthodes de côté de bande/sideband basées sur les données).
Non-prompt : Charmonium issu de désintégrations de hadrons $b$ (estimé via MC, corrigé dans une CR dédiée).
Diffusion de double parton (DPS) : Estimée via MC, contrainte dans une CR à haute masse de di-charmonium.
SPS : Production prompt de di-charmonium (estimée via MC, avec une forme contrainte par le paramètre Pythia $pT0timesMPI$).

Pour le canal $4\mu+2\pi$ , un arbre de décision boosté (BDT) est employé pour supprimer le bruit de fond de remontée (feed-up) du canal di- $J/\psi$ où des traces aléatoires sont identifiées à tort comme des pions.

Modélisation du signal et stratégie d'ajustement
Des ajustements de maximum de vraisemblance non binaires sont effectués sur les spectres de masse $m_{4\mu}$ et $m_{4\mu+2\pi}$ . Trois modèles de signal représentatifs sont considérés pour tenir compte des potentiels effets d'interférence :

Modèle A : Deux résonances de Breit–Wigner (BW) en onde S interférant (en supposant que le $X(6900)$ observé dans le di- $J/\psi$ se désintègre également en $J/\psi+\psi(2S)$ ).
Modèle B : Une résonance interférant avec le bruit de fond SPS et une seconde résonance autonome.
Modèle C : Une seule résonance BW autonome (considérant uniquement les canaux $J/\psi+\psi(2S)$ ).

L'ajustement extrait simultanément les rendements de signal, les masses et les largeurs. Le rapport des largeurs de désintégration partielle, $R = \Gamma(X(6900) \to J/\psi+\psi(2S)) / \Gamma(X(6900) \to \text{di-}J/\psi)$ , est traité comme un paramètre libre dans les modèles A et B. Une recherche d'une seconde résonance proche de 7,2 GeV ( $X(7200)$ ) est également menée en ajoutant une composante autonome aux modèles.

Résultats clés

Observation de $X(6900)$ : Un excès significatif est observé près de 6,9 GeV dans les deux canaux $4\mu$ et $4\mu+2\pi$ . La signification combinée atteint 8,9 $\sigma$ (calculée avec les paramètres de forme du signal fixés à leurs valeurs de meilleur ajustement).
Propriétés de la résonance : La masse ajustée est systématiquement autour de 6,9 GeV à travers tous les modèles. La largeur varie selon le modèle : environ 0,08 GeV pour le Modèle A et 0,18 GeV pour les Modèles B et C.
Rapport des largeurs partielles : Sous l'hypothèse du Modèle A (nominal) et du Modèle B (évaluation systématique), le rapport des largeurs de désintégration partielles est déterminé à $R = 1,08 \pm 0,20 \pm 0,40$ (incertitudes statistique et systématique). Cela suggère que les fractions de désintégration vers $J/\psi+\psi(2S)$ et di- $J/\psi$ sont comparables.
Recherche de $X(7200)$ : Aucun signal significatif n'est observé près de 7,2 GeV. Une limite supérieure sur le rendement d'un potentiel $X(7200)$ par rapport au $X(6900)$ est fixée à 0,41 au niveau de confiance de 95 %.
Validation du bruit de fond : Les méthodes d'estimation du bruit de fond montrent un bon accord avec les données dans les régions de contrôle, validant la forme et la normalisation du bruit de fond SPS.

Signification et affirmations
L'article affirme que cette analyse confirme la présence de structures dans les canaux $J/\psi+\psi(2S)$ , favorisant l'hypothèse d'une résonance unique proche de 6,9 GeV. Le résultat supplante les mesures précédentes de la même collaboration (Réf. [13]) en fournissant des déterminations plus précises de la masse et de la largeur et en atteignant une signification statistique plus élevée (8,9 $\sigma$ contre 4,7 $\sigma$ dans la précédente analyse uniquement di- $J/\psi$ ). La conclusion selon laquelle le rapport des largeurs de désintégration partielles est proche de l'unité soutient les scénarios où le $X(6900)$ se couple de manière similaire aux deux états finaux de di-charmonium. L'article conclut que, bien que l'existence d'une résonance proche de 7,2 GeV ne soit pas supportée par les données actuelles, des jeux de données futurs seront nécessaires pour déterminer précisément la nature, les nombres quantiques et les résonances additionnelles potentielles de ces états exotiques.