Pentaquark

Schéma d'un pentaquark générique: quatre quarks et un antiquark (en jaune).

Unpentaquarkest uneparticule subatomiquecomposée de cinqquarksqui a été prévue par les théoriciens en 1997.

La recherche des pentaquarks (et destétraquarks) est devenue un sujet d’étude à part entière en physique expérimentale,et plusieurs pentaquarks ont été produits auLHC,de type ccqqq.

Historique

L'existence des pentaquarks fut prédite initialement parMaxim Polyakov,Dmitri Diakonov(de)etVictor Petrovde l'Institut de physique nucléaire de Saint-Pétersbourg(ru)en1997;mais leur théorie fut accueillie avec scepticisme.

Toutefois, un nouveau groupe, celui desbaryons exotiques,a été introduit dans la classification des particules à la suite de leur découverte. Ce groupe contient les pentaquarks et d'autres particules similaires.

Plusieurs expériences auraient mis en évidence l'existence des pentaquarks:

• le$\Theta ^{+}$aurait été le premier à être observé, en2003,et il pos sắc de une masse d'environ1 540MeV.Ces résultats sont cependant controversés. Le pentaquark$\Theta ^{+}$aurait été observé pour la première fois le14janvier2003parTakashi Nakano(ja)de l'université d'Osaka.L'expérience fut confirmée parKenneth HicksduJefferson Lab.L'annonce officielle fut publiée dans la revuePhysical Review Lettersle4juillet2003.L'expérience consistait à faire interagir unrayon gammaà haute énergie avec unprotonet unneutron,créant unmésonK⁻et un pentaquark$[ud][ud]{\bar {s}}$,le$\Theta ^{+}$.Ce dernier subsista durant environ 10⁻²⁰secondeavant de se transformer en un méson K⁺et un neutron.

  L'article de 2017 précise:« ExpérienceSPring-8(en)au Japon, une particule interprétée comme un pentaquark$[uu][dd]{\bar {s}}$de masse 1,6 fois plus massive qu'un proton (conforme au calcul de 1997) et d'une durée de vie de l'ordre de 10⁻²³seconde.Il est aujourd'hui très peu probable que$\Theta ^{+}$soit bien un pentaquark».

• Le17mars2004,le premier pentaquark contenant unquarkcharm,le$\Theta _{c}([ud][ud]{\bar {c}})$,aurait été observé au moyen de l'accélérateur de particulesallemandHERA.

  Ces résultats ont été mis en doute en2005par les chercheurs duJefferson Labqui n'ont pas réussi à détecter la particule, malgré une précision statistique dix fois supérieure aux recherches entreprises par leur laboratoire et d'autres en 2004. De plus, en analysant le précédent enregistrement qui les avait conduits à affirmer l'existence du pentaquark, les physiciensconclurent que le signal ne se distinguait que très faiblement du bruit de fond.

• Le14juillet2015,leCERNannonce officiellement que les données fournies par le détecteurLHCbduGrand collisionneur de hadronsont permis d'observer des particules composées de cinq quarks$[uc][{\bar {c}}u]d$(deuxup,undown,uncharmet un anti-charm) et de charge +1, lors de la désintégration du baryon$(\Lambda ^{0})_{b}$.

  

  Diagramme de Feynman d'un baryon lambda (Λ0 b) se décomposant en un pentaquark (P+ c) et un kaon (K−).

• Le5juin2019,la collaborationLHCbpublie la découverte de trois nouveaux étatsd'un même pentaquark, de masses 4 312,4 440et4 457MeV.Tous trois sont constitués de deux quarksup,undown,uncharmet unanticharm,mais qui seraient organisés différemment.

Caractéristiques et structure

L'organisation interne des pentaquarks est sujette à débat.

• Pour certains théoriciens, un pentaquark est simplement, comme unbaryonou unméson,un ensemble non structuré de quarks liés par l'échange degluons.
• Pour d'autres,un pentaquark est composé de deuxdiquarks(en),et d'unantiquark^{[réf. nécessaire]}.Ainsi lenombre baryoniqued'un pentaquark est de:

  $q=2\times \left({\frac {2}{3}}-{\frac {1}{3}}\right)+\operatorname {opp} \left(-{\frac {1}{3}}\right)=1$.

• Une troisième hypothèse, dite « moléculaire », est qu'un pentaquark est constitué d'un baryon (trois quarks liés par l'échange de gluons) et d'un méson (un quark et un antiquark liés par l'échange de gluons), liés par l'échange demésons pi.La découverte par l'expérienceLHCbde trois nouveaux étatsd'un même pentaquarkconforte cette hypothèse: d'une part les masses correspondant à ces trois états sont légèrement inférieures à la somme des masses d'un baryon et d'un méson (ou d'un méson dans un état excité, selon les cas), signe d'une liaison baryon-méson, et d'autre part l'enfermement duquark charméet de son antiparticule dans deux ensembles séparés (le baryon et le méson, respectivement) expliquerait qu'ils ne s'annihilent pas.

Liste

Les pentaquarks observés ou prédits par la théorie sont:

Nom (composition)	État	Masse(incertitude)MeV
$\Theta ^{+}([ud][ud]{\bar {s}})$	Observé	1 539 (95)
$\Theta _{c}([ud][ud]{\bar {c}})$	Observé, non confirmé	2 977 (109)
$\Xi ^{--}([ds][ds]{\bar {u}})$	Observé	1 826 (87)
$N^{+}([ud][ud]{\bar {d}})$	Pourrait correspondre à larésonance de RoperN(1440)P11	1 460 (51)
$N_{c}^{-}([ud][ds]_{+}{\bar {c}})$	Hypothétique	3 180 (69)
$N_{c}^{0}([ud][us]_{+}{\bar {c}})$	Hypothétique	3 180 (69)
$\Xi _{5c}^{--}([ds][ds]{\bar {c}})$	Hypothétique	3 650 (95)
$\Xi _{5c}^{-}([ds][us]_{+}{\bar {c}})$	Hypothétique	3 650 (95)
$\Xi _{5c}^{0}([us][us]{\bar {c}})$	Hypothétique	3 650 (95)
$T_{c}^{-}([ud][ds]_{-}{\bar {c}})$	Hypothétique	2 785 (46)
$T_{c}^{0}([ud][us]_{-}{\bar {c}})$	Hypothétique	2 785 (46)
$T_{cs}^{-}([us][ds]_{-}{\bar {c}})$	Hypothétique	entre$\simeq$2 580 et$\simeq$2 910
$\Theta _{b}([ud][ud]{\bar {b}})$	Hypothétique	entre$\simeq$6 050 et$\simeq$6 400
${\displaystyle?\ ([duc][u{\bar {c}}])}$	Observé	4 312, 4 440 et 4 457

L'existence d'autres pentaquarks plus étranges, contenant par exemple deux quarks$s$et un antiquark${\bar {b}}$,a été proposée.

Voir aussi

Bibliographie

• Georg Wolschin, «Des quarks aux pentaquarks»,Pour la science,n^o471,‎janvier 2017,p.20-28.

Articles connexes

• Physique des particules
• Confinement de couleur
• Baryon
• Hadron
• Hexaquark
• Méson
• Tétraquark