The ALICE, CMS and LHCb collaborations present new measurements that show how particles containing charm quarks can serve as “messengers” of hadrons and the quark–gluon plasma, carrying information about these forms of matter

This media update is part of a series related to the 2020 Large Hadron Collider Physics conference, taking place 25–30 May 2020. Originally planned to be held in Paris, the conference is now taking place entirely online due to the COVID-19 pandemic.

The ALICE, CMS and LHCb collaborations at CERN present new measurements that show how charmed particles – particles containing charm quarks – can serve as “messengers” of two forms of matter made up of quarks and gluons: hadrons, which make up most of the visible matter in the present-day universe; and the quark–gluon plasma, which is thought to have existed in the early universe and can be recreated in heavy-ion collisions at the Large Hadron Collider (LHC). By studying charmed particles, physicists can learn more about hadrons, in which quarks are bound by gluons, as well as the quark–gluon plasma, in which quarks and gluons are not confined within hadrons.

The main results are:

  • The LHCb team obtained the most precise yet measurements of two properties of a particle known as χc1(3872), a hadron containing charm quarks. The particle was discovered in 2003 and it has remained unclear whether it is a two-quark hadron, a more exotic hadron such as a tetraquark – a system of four quarks tightly bound together – or a pair of two-quark particles weakly bound in a molecule-like structure. Pinning down the nature of this hadron could extend physicists’ understanding of how quarks bind into hadrons.“Our results are consistent with χc1(3872) being a pair of two-quark particles loosely bound together, but it does not fully rule out the tetraquark hypothesis or other possibilities,” says LHCb spokesperson Giovanni Passaleva.
  • The CMS collaboration observed for the first time the transformation, or “decay”, of another particle, called B0s, into the same χc1(3872) particle. The researchers compared this decay with the previously observed decay of the B+meson, which had led to the first detection of the χc1(3872) in 2003. Both types of decay link the behaviour of this hadron to the up and strange quarks.“Measured differences in the decay rates are intriguing and could provide further insight into the nature of the χc1(3872), which has not yet been fully established,” says CMS spokesperson Roberto Carlin.
  • The ALICE collaboration measured the so-called elliptic flow of hadrons containing charm quarks, in heavy-ion collisions. The hadrons are created during collisions that also create a quark–gluon plasma. Hadrons containing heavy quarks, like the charm quark, are excellent “messengers” of the quark–gluon plasma, meaning they carry important information about it.“The pattern observed by ALICE indicates that the heavy charm quarks are dragged by the quark–gluon plasma’s expansion,” says ALICE spokesperson Luciano Musa.

Looking forward, the LHC collaborations aim to make more precise measurements of these messengers of the quark world using data from the next LHC run, which will benefit from largely upgraded experiment set-ups.

Read more below for a comprehensive description of these results.

Charm quark results related to hadrons

The LHCb and CMS collaborations describe results from their studies of a hadron known as χc1(3872). The particle was discovered in 2003 by the Belle experiment in Japan but it has remained unclear whether it is a two-quark hadron, a more exotic hadron such as a tetraquark – a system of four quarks tightly bound together – or a pair of two-quark particles weakly bound in a molecule-like structure.

Pinning down the nature of χc1(3872) could extend physicists’ understanding of how quarks bind into hadrons. The new studies by the CMS and LHCb collaborations shed new light on – but do not yet fully reveal – the nature of this particle.

Using sophisticated analysis techniques and two different datasets, the LHCb team obtained the most precise measurements yet of the particle’s mass and determined for the first time and with a significance of more than five standard deviations the particle’s “width”, a parameter that determines the particle’s lifetime.

Until now researchers had only been able to obtain upper limits on the allowed values of this parameter. The LHCb researchers detected χc1(3872) particles in their datasets using the classic “bump”-hunting technique of searching for an excess (the bump) of collision events over a smooth background. Each dataset led to a measurement of the mass and width, and the results from both datasets agree with each other.

“Our results are not only the most precise yet, they also show that the mass of χc1(3872) is remarkably close to the sum of the masses of the D0 and D*0 charmed mesons,” says LHCb spokesperson Giovanni Passaleva. “This is consistent with χc1(3872) being a pair of two-quark particles loosely bound together, but it does not fully rule out the tetraquark hypothesis or other possibilities.”

Meanwhile, analysing a large dataset recorded over the course of three years, the CMS collaboration observed for the first time the transformation, or “decay”, of the B0s particle into the χc1(3872) and a ϕ meson. This two-quark particle, B0s, is a relative of the B+ meson, in the decay of which the Belle experiment first detected χc1(3872). Like the LHCb team, the CMS team detected χc1(3872) using the bump technique.

“Our result is particularly interesting because we found that the rate at which the B0s decays to the hadron χc1(3872) and the ϕ meson is similar to that of the B0 into χc1(3872) and an anti-K0 meson, whereas it is about twice as low as that for the previously observed B+ decay into χc1(3872) and the K+ meson,” says CMS spokesperson Roberto Carlin. “In these decays, different quarks, other than the bottom quark, play a role,” Carlin explains. “The fact that the decay rates do not follow an obvious pattern may shed light on the nature of χc1(3872).”

Charm quark results related to the quark–gluon plasma

At the other end of the quark-binding spectrum, the ALICE collaboration measured the so-called elliptic flow of hadrons containing a charm quark, either bound to a light quark (forming a D meson) or to an anticharm (making a J/ψ meson) in heavy-ion collisions. Hadrons containing heavy quarks, charm or bottom, are excellent messengers of the quark–gluon plasma formed in these collisions. They are produced in the initial stages of the collisions, before the emergence of the plasma, and thus interact with the plasma constituents throughout its entire evolution, from its rapid expansion to its cooling and its eventual transformation into hadrons.

When heavy nuclei do not collide head on, the plasma is elongated and its expansion leads to a dominant elliptical modulation of the hadrons’ momentum distribution, or flow. The ALICE team found that, at low momentum, the elliptic flow of D mesons is not as large as that of pions, which contain only light quarks, whereas the elliptic flow of J/ψ mesons is lower than both but distinctly observed.

“This pattern indicates that the heavy charm quarks are dragged by the quark–gluon plasma’s expansion,” says ALICE spokesperson Luciano Musa, “but likely to a lesser extent than light quarks, and that both D and J/ψ mesons at low momentum are in part formed by the binding, or recombination, of flowing quarks.”

Another measurement performed by the ALICE team – of the flow of electrons originating from decays of B hadrons, containing a bottom quark – indicates that bottom quarks are also sensitive to the elongated shape of the quark–gluon plasma. Upsilon particles, which are made up of a bottom quark and its antiquark, as opposed to a charm and anticharm like the J/ψ, do not exhibit significant flow, likely because of their much larger mass and the small number of bottom quarks available for recombination.

About CERN
CERN, the European Organization for Nuclear Research, is one of the world’s leading laboratories for particle physics. The Organization is located on the French-Swiss border, with its headquarters in Geneva. Its Member States are: Austria, Belgium, Bulgaria, Czech Republic, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Israel, Italy, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Romania, Serbia, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. Cyprus and Slovenia are Associate Member States in the pre-stage to Membership. Croatia, India, Lithuania, Pakistan, Turkey and Ukraine are Associate Member States. The European Union, Japan, JINR, the Russian Federation, UNESCO and the United States of America currently have Observer status.

www.home.cern

Les collaborations du CERN présentent leurs nouveaux résultats sur les particules
avec des quarks c

Les collaborations ALICE, CMS et LHCb présentent de nouveaux résultats montrant comment les particules contenant des quark c peuvent jouer le rôle de « messagers » transmettant des informations sur les hadrons et les plasma quarks-gluons.

Cette actualité fait partie d’une série d’articles relatifs à l’édition 2020 de la conférence sur la physique auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHCP), qui se déroule du 25 au 30 mai 2020. En raison de la pandémie de COVID-19, la conférence, qui devait se tenir initialement à Paris, a lieu entièrement en ligne.

Les collaborations ALICE, CMS et LHCb présentent de nouveaux résultats montrant comment les particules charmées – celles qui contiennent des quarks c – peuvent jouer le rôle de « messagers » de deux formes de la matière faite de quarks et de gluons : les hadrons, qui composent la majeure partie de la matière visible dans l’Univers actuel, et le plasma quarks-gluons, qui aurait existé dans l’Univers primordial et qui peut être recréé lors de collisions d’ions lourds dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC). En étudiant les particules charmées, les scientifiques peuvent en savoir davantage sur les hadrons, dans lesquels les quarks sont liés par des gluons, ainsi que sur le plasma quarks-gluons, état de la matière dans lequel les quarks et les gluons ne sont pas confinés à l’intérieur des hadrons.

Voici les principaux résultats présentés :

  • L’équipe LHCb a obtenu les mesures les plus précises à ce jour de deux propriétés d’une particule appelée χc1(3872), qui est un hadron contenant des quarks c. La nature de cette particule, découverte en 2003, reste incertaine : il pourrait s’agir d’un hadron composé de deux quarks, d’un hadron plus exotique, tel qu’un tétraquark (système de quatre quarks liés étroitement les uns aux autres) ou encore d’une paire de particules à deux quarks, les deux particules étant faiblement liées selon une structure comparable à celle d’une molécule. Déterminer la nature de cet hadron pourrait permettre aux scientifiques de mieux comprendre comment les quarks se lient les uns aux autres pour former les hadrons.« Nos résultats concordent avec l’hypothèse selon laquelle χc1(3872) serait une paire de particules à deux quarks faiblement liées, mais ils ne permettent pas d’exclure entièrement l’hypothèse d’un tétraquark ou d’autres hypothèses », déclare Giovanni Passaleva, porte-parole de LHCb.
  • La collaboration CMS a observé pour la première fois la transformation, ou « désintégration », d’une autre particule, appelée B0s, en une particule χc1(3872). L’équipe a comparé cette désintégration avec celle du méson B+, observée précédemment, qui avait conduit à la première détection de la particule χc1(3872) en 2003. Dans les deux types de désintégration, le comportement de cet hadron est lié aux quarks u et s.« Les écarts mesurés dans les taux de désintégration sont étonnants et pourraient fournir d’autres éléments sur la nature de la particule χc1(3872), qui n’a pas été entièrement déterminée », déclare Roberto Carlin, porte-parole de CMS.
  • La collaboration ALICE a mesuré, dans les collisions d’ions lourds, le flux elliptique d’hadrons contenant des quarks c. Les hadrons sont produits durant les collisions, qui créent également un plasma quarks-gluons. Les hadrons contenant des quarks lourds, comme le quark c, sont d’excellents « messagers » du plasma quarks-gluons, à savoir qu’ils sont porteurs d’importantes informations sur cet état de la matière.« Les caractéristiques observées par ALICE indiquent que les quarks c, qui sont lourds, sont entraînés par l’expansion du plasma quarks-gluons », explique Luciano Musa, porte-parole d’ALICE.

Par la suite, les collaborations LHC comptent réaliser des mesures plus précises de ces messagers du monde des quarks au moyen des données qui seront recueillies lors de la prochaine exploitation du LHC, laquelle bénéficiera d’installations d’expérimentation grandement améliorées.

Se reporter aux paragraphes suivants pour une description plus détaillée des résultats.

Résultats sur les quarks c en rapport avec les hadrons

Les collaborations LHCb et CMS décrivent les résultats de leur étude d’un hadron, appelé χc1(3872). Cette particule a été découverte en 2003 par l’expérience Belle, au Japon, mais sa composition reste incertaine : hadron composé de deux quarks, hadron plus exotique, tel qu’un tétraquark (système de quatre quarks liés étroitement les uns aux autres) ou encore paire de particules à deux quarks, les deux particules étant faiblement liées selon une structure comparable à celle d’une molécule.

Déterminer la nature de l’hadron χc1(3872) pourrait permettre aux scientifiques de mieux comprendre comment les quarks se lient les uns aux autres dans les hadrons. Les nouvelles études réalisées par les collaborations CMS et LHCb, à défaut de révéler entièrement la nature de cette particule, ont jeté un nouvel éclairage sur celle-ci.

En utilisant des techniques d’analyse sophistiquées et deux ensembles de données différents, l’équipe de LHCb a obtenu les mesures les plus précises à ce jour de la masse de la particule et ont déterminé pour la première fois, et avec une signification statistique de plus de cinq écarts-types, la « largeur » de la particule, un paramètre qui détermine sa durée de vie.

Jusqu’ici, les scientifiques n’avaient pu obtenir que les limites supérieures des valeurs permises de ce paramètre. L’équipe de LHCb a détecté dans leurs ensembles de données des particules χc1(3872) en utilisant la technique classique de chasse aux particules consistant à chercher un excédent d’événements de collision, c’est-à-dire une « bosse » se détachant du bruit de fond. À partir de chaque ensemble de données, l’équipe a réalisé une mesure de la masse et de la largeur ; les résultats obtenus pour les deux ensembles concordaient.

« Non seulement nos résultats sont les plus précis à ce jour, mais ils montrent que la masse de χc1(3872) est remarquablement proche de la somme des masses des mésons charmés D0 et D*0, déclare Giovanni Passaleva, porte-parole de LHCb. Cela concorde avec l’hypothèse selon laquelle χc1(3872) est une paire de particules à deux quarks faiblement liées, mais ne permet pas d’exclure entièrement l’hypothèse d’un tétraquark ou d’autres hypothèses. »

De son côté, la collaboration CMS, après avoir analysé un vaste ensemble de données enregistrées sur trois années, a observé pour la première fois la transformation, ou « désintégration », de la particule B0s en une particule χc1(3872) et un méson ϕ. Cette particule B0s, composée de deux quarks, est une parente du méson B+. C’est lors de la désintégration de ce méson que l’expérience Belle avait pour la première fois détecté la particule χc1(3872). Comme l’équipe de LHCb, l’équipe de CMS a détecté la particule χc1(3872) à l’aide de la technique de « repérage de la bosse ».

« Notre résultat est particulièrement intéressant car nous avons constaté que le taux auquel la particule B0s se désintègre en un hadron charmé χc1(3872) et un méson ϕ est similaire à celui de la désintégration de la particule B0 en une particule χc1(3872) et un méson anti-K0, alors qu’il est environ deux fois plus faible que celui enregistré pour la désintégration précédemment observée du méson B+ en une particule χc1(3872) et un méson K+, indique Roberto Carlin, porte-parole de CMS. Lors de ces désintégrations, différents quarks, autres que le quark b, interviennent, explique Roberto Carlin. Le fait que les taux de désintégration présentent ces particularités pourrait nous apprendre quelque chose sur la nature de la particule χc1(3872). »

Résultats sur les quarks c en rapport avec le plasma quarks-gluons

La collaboration ALICE a mesuré, dans des collisions d’ions lourds, le flux elliptique d’hadrons contenant un quark c, lié soit à un quark léger (formant un méson D), soit à un antiquark c (formant un méson J/ψ). Les hadrons contenant des quarks lourds, à savoir le quark c ou le quark b, sont d’excellents « messagers » du plasma quarks-gluons formé dans ces collisions. Ils sont produits lors des phases initiales des collisions, avant la formation du plasma, et, ainsi, interagissent avec les constituants du plasma tout au long de son évolution, depuis sa phase d’expansion rapide jusqu’à son refroidissement et sa transformation en hadrons.

Lorsque les noyaux lourds n’entrent pas en collision frontale, le plasma s’allonge et son expansion conduit à une modulation principalement elliptique de la distribution de l’impulsion des hadrons (le flux). L’équipe d’ALICE a constaté que, pour une faible impulsion, le flux elliptique des mésons D est moindre que celui des pions, qui ne contiennent que des quarks légers, et que le flux elliptique des mésons J/ψ est plus faible que celui des deux autres mais peut néanmoins être observé distinctement.

« Ce profil indique que les quarks c lourds sont entraînés par l’expansion du plasma quarks-gluons, mais probablement dans une moindre mesure que les quarks légers, et que les mésons D comme les mésons J/ψ, à de faibles impulsions, sont en partie formés par la liaison, ou recombinaison, de quarks en mouvement », explique Luciano Musa, porte-parole d’ALICE.

Une autre mesure réalisée par l’équipe d’ALICE concernant le flux d’électrons issu des désintégrations d’hadrons B, qui contiennent un quark b, indique que les quarks b sont également sensibles à l’allongement du plasma quarks-gluons. Les particules upsilon, qui sont constituées d’un quark b et de son antiquark (et non pas d’un quark c et d’un antiquark c, comme c’est le cas de la particule J/ψ) ne présentent pas un flux significatif, probablement en raison de leur masse beaucoup plus élevée et du faible nombre de quarks b pouvant se prêter à une recombinaison.

A propos du CERN
Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est l’un des plus éminents laboratoires de recherche en physique des particules du monde. Située de part et d’autre de la frontière franco-suisse, l’Organisation a son siège à Genève. Ses États membres sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Roumanie, Royaume-Uni, Serbie, Slovaquie, Suède et Suisse. Chypre et la Slovénie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. La Croatie, l’Inde, la Lituanie, le Pakistan, la Turquie et l’Ukraine sont États membres associés. Les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, le Japon, le JINR, l’UNESCO et l’Union européenne ont actuellement le statut d’observateur.

www.home.cern/fr

 

    Tagged in: