Search for charmonium(like) states in at BESIII
En utilisant un échantillon de données de 1667,4 pb collectées à GeV avec le détecteur BESIII, une recherche d'états de type charmonium se désintégrant en via le processus n'a révélé aucun signal significatif, ce qui a permis d'établir des limites supérieures au niveau de confiance de 90 % sur le produit de la section efficace de production et du rapport de branchement pour des états potentiels de parité -paire, incluant l'état et divers charmoniums excités.
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Dans le monde subatomique, la matière est construite à partir d'une petite famille de particules fondamentales appelées quarks. La majeure partie de la matière que nous voyons chaque jour, comme les protons et les neutrons qui composent nos corps, est faite de quarks liés ensemble en groupes de trois. Cependant, les lois de la physique permettent également des combinaisons plus exotiques, telles que quatre quarks maintenus ensemble dans un seul paquet. Ces formations rares sont connues sous le nom de tétraquarks, et elles se comportent différemment de la matière ordinaire qui nous est familière. Pendant des décennies, les physiciens ont traqué ces états inhabituels, particulièrement ceux impliquant un type de quark lourd appelé quark « charme ». Un exemple célèbre, découvert il y a vingt ans, est une particule nommée X(3872). Elle se situe précisément à la limite de l'endroit où deux particules lourdes peuvent à peine rester collées ensemble, ce qui amène les scientifiques à croire qu'elle pourrait être une molécule lâche composée de deux particules plus petites plutôt qu'un nœud serré de quatre quarks. Si cette idée moléculaire est correcte, la physique prédit qu'il devrait exister un partenaire plus lourd à cette particule, situé à un niveau d'énergie légèrement supérieur, attendant d'être trouvé.
Une équipe de chercheurs utilisant le détecteur BESIII au Collisionneur Électron-Positron de Pékin s'est donné pour mission de trouver ce partenaire prédit. Ils ont concentré leur recherche sur un niveau d'énergie spécifique où la théorie suggérait qu'une nouvelle particule, souvent appelée X(4013), pourrait exister. Cette particule hypothétique serait un cousin lourd du X(3872), potentiellement composé de deux mésons D neutres liés ensemble. Pour tenter d'en apercevoir un aperçu, les scientifiques ont fait entrer en collision des électrons et des positrons à une énergie précise de 4,682 GeV. Lorsque ces particules entrent en collision, elles peuvent parfois produire un flash de lumière — un photon — et laisser derrière elles une particule lourde et instable qui se désintègre rapidement. Les chercheurs ont recherché spécifiquement des événements où un photon était produit aux côtés d'une particule qui se désintégrait immédiatement en une paire de mésons D neutres, lesquels se décomposaient eux-mêmes en d'autres particules que le détecteur pouvait suivre.
L'équipe a analysé une collection massive de données, équivalente à 1 667,4 inverse picobarns de collisions, pour voir si certains de ces événements se regroupaient autour de la masse où le X(4013) était attendu. Ils ont également recherché plusieurs autres types de particules lourdes connues qui pourraient exister dans cette même plage d'énergie, par souci de rigueur. Après avoir soigneusement trié les collisions et filtré le bruit de fond provenant d'autres interactions de particules communes, les chercheurs n'ont trouvé aucune preuve du X(4013) ou des autres états prédits. Les données n'ont montré aucun pic ou signal significatif qui indiquerait la présence de ces nouvelles particules. Au lieu de faire une découverte, l'expérience a établi des limites supérieures strictes sur la fréquence à laquelle ces particules pourraient éventuellement être produites. Pour le X(4013), l'équipe a déterminé que s'il existe, il est produit si rarement que son taux de production doit être inférieur à 5,6 événements par unité d'énergie de collision, avec un haut degré de confiance statistique.
Ce résultat est significatif car il indique ce qui n'est pas là, rétrécissant ainsi la voie pour les futures théories. Bien que le X(3872) demeure un mystère qui pourrait être un état moléculaire, son partenaire plus lourd, s'il suit les mêmes règles, aurait dû être visible dans ces données. Le fait qu'il n'ait pas été vu suggère que soit cette particule n'existe pas, soit elle est beaucoup plus difficile à créer et à détecter que ne le prédisent les modèles actuels. Les chercheurs ont également fixé des limites pour d'autres particules lourdes potentielles, telles que des versions excitées des familles eta-c et chi-c, sans trouver de signes de celles-ci non plus. En éliminant ces possibilités avec une grande précision, l'étude fournit une carte plus claire pour les autres scientifiques, montrant que la recherche de ces combinaisons spécifiques de quarks lourds doit chercher ailleurs ou envisager des explications théoriques différentes. Ce travail démontre que les détecteurs actuels sont assez sensibles pour trouver ces particules si elles étaient présentes dans les quantités prédites, et leur absence est une pièce précieuse du puzzle pour comprendre comment la force forte lie la matière.
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