Voir la source de Pentaquark

{{à sourcer|date=juillet 2015}}
[[Fichier:Pentaquark-generic.svg|vignette|Schéma d'un pentaquark générique : quatre quarks et un antiquark (en jaune).]]
Un '''pentaquark''' est une [[particule subatomique]] composée de cinq [[quark]]s qui a été prévue par les théoriciens en 1997<ref>{{article| titre=Des quarks aux pentaquarks | auteur=Georg Wolschin | périodique=[[Pour la science]] | pages=27 | numéro=471 | mois=janvier | année=2017 |id=Wolchin2017}}.</ref>.

La recherche des pentaquarks (et des [[tétraquark]]s) est devenue un sujet d’étude à part entière en physique expérimentale<ref name="Wolschin p27">{{harvsp|Wolschin|2017|p=27|id=Wolchin2017}}.</ref>, et plusieurs pentaquarks ont été produits au [[Grand collisionneur de hadrons|LHC]], de type c{{surligner|c}}qqq<ref group="alpha">c : [[quark charmé]], {{surligner|c}} : antiquark charmé, q : [[Quarks légers et quarks lourds|quark léger]].</ref>{{,}}<ref>{{lien web|lang=en | url=https://lhcb-public.web.cern.ch/Welcome.html#LHChadrons | site=[[Grand collisionneur de hadrons|LHC]] | titre=LHC as a Large Hadron Discovery Factory | date=3 mars 2021 | consulté le=3 juin 2021}}.</ref>.

== Historique ==
L'existence des pentaquarks fut prédite initialement par [[Maxim Polyakov]]<!-- très probablement https://orcid.org/0000-0002-8765-7739 - attention aux homonymes ! Wikidata : Q107406679 -->, {{lien|lang=de|trad=Dmitri Igorewitsch Djakonow|texte=Dmitri Diakonov}} et [[Victor Petrov]]<!-- Wikidata : Q74429897 --> de l'{{lien|lang=ru|trad=Петербургский институт ядерной физики имени Б. П. Константинова
|fr=Institut de physique nucléaire de Saint-Pétersbourg}} en [[1997 en science|1997]] ; mais leur théorie fut accueillie avec scepticisme<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Dmitri |nom1=Diakonov |prénom2=Victor |nom2=Petrov |prénom3=Maxim |nom3=Polyakov |titre=Exotic anti-decuplet of baryons: prediction from chiral solitons |périodique=Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei |volume=359 |numéro=3 |date=1997-09-01 |issn=1431-5831 |doi=10.1007/s002180050406 |lire en ligne=https://doi.org/10.1007/s002180050406 |consulté le=2021-08-20 |pages=305–314 }}</ref>.

Toutefois, un nouveau groupe, celui des [[Baryon exotique|baryons 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 <math>\Theta^+</math> aurait été le premier à être observé, en [[2003 en science|2003]], et il possède une masse d'environ {{unité|1540|MeV}}. Ces résultats sont cependant controversés. Le pentaquark <math>\Theta^+</math> aurait été observé pour la première fois le {{date|14|janvier|2003|en science}} par {{lien|lang=ja|trad=中野貴志|fr=Takashi Nakano<!-- attention aux homonymes, dont un sportif pour lequel il existe déjà des liens wiki, sans doute faudra-t-il adapter les liens pour éviter toute confusion ! -->|texte=Takashi Nakano<!-- gros doute sur le « n » final ! cf. graphie dans les réf. de l’article sur WP:JA ; mais je préfère laisser aux spécialistes le soin de vérifier et confirmer ou infirmer ceci… -->}} de l'[[université d'Osaka]]. L'expérience fut confirmée par [[Kenneth Hicks]] du [[Thomas Jefferson National Accelerator Facility|Jefferson Lab]]. L'annonce officielle fut publiée dans la revue ''{{lang|en|[[Physical Review Letters]]}}'' le {{date|4|juillet|2003|en science}}<ref>{{article|lang=en |auteur={{lien|lang=ja|trad=中野貴志|fr=Takashi Nakano<!-- idem supra. -->|texte=T. Nakano}} |et al.=oui |titre=Evidence for a Narrow {{math|1=S = + 1}} Baryon Resonance in Photoproduction from the Neutron |périodique={{lang|en|[[Physical Review Letters]]}} |volume=91 |numéro=1 |numéro article=012002 |doi=/10.1103/PhysRevLett.91.012002 | lire en ligne=https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.91.012002 | format=pdf |date=3 juillet 2003 |consulté le=3 juillet 2021 }}.</ref>. L'expérience consistait à faire interagir un [[rayon gamma]] à haute énergie avec un [[proton]] et un [[neutron]], créant un [[méson]] K{{exp|−}} et un pentaquark <math>[ud][ud]\bar s</math>, le <math>\Theta^+</math>. Ce dernier subsista durant environ {{nombre|e=-20|[[Seconde (temps)|seconde]]}} avant de se transformer en un méson K{{exp|+}} et un neutron.
*:L'article de 2017 précise : {{citation|Expérience [[SPring-8]] au Japon, une particule interprétée comme un pentaquark <math>[uu][dd]\bar s</math> de masse {{nombre|1,6 fois}} plus massive qu'un proton (conforme au calcul de 1997) et d'une durée de vie de l'ordre de {{nombre|e=-23|[[Seconde (temps)|seconde]]}}. Il est aujourd'hui très peu probable que <math>\Theta^+</math> soit bien un pentaquark<ref name="Wolschin p27" />}}.
* Le {{date|17|mars|2004|en science}}, le premier pentaquark contenant un [[Quark charm|quark {{lang|en|charm}}]], le <math>\Theta_c ([ud][ud]\bar c)</math>, aurait été observé au moyen de l'[[accélérateur de particules]] allemand [[Deutsches Elektronen-Synchrotron#L'accélérateur HERA (1992-2007)|HERA]]<ref>{{Article |langue=en |prénom1=W.-M. Yao et |nom1=al |titre=Review of Particle Physics |périodique=Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics |volume=33 |numéro=1 |date=2006-07 |issn=0954-3899 |doi=10.1088/0954-3899/33/1/001 |lire en ligne=https://doi.org/10.1088/0954-3899/33/1/001 |consulté le=2021-08-20 |pages=1–1232 }}</ref>.
*:Ces résultats ont été mis en doute en [[2005]] par les chercheurs du [[Thomas Jefferson National Accelerator Facility|{{lang|en|Jefferson Lab}}]] qui 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 physiciens<ref>{{Article |prénom1=Thomas D. |nom1=Cohen |prénom2=Paul M. |nom2=Hohler |prénom3=Richard F. |nom3=Lebed |titre=On the existence of heavy pentaquarks: The large ${N}_{c}$ and heavy quark limits and beyond |périodique=Physical Review D |volume=72 |numéro=7 |date=2005-10-12 |doi=10.1103/PhysRevD.72.074010 |lire en ligne=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.72.074010 |consulté le=2021-08-20 |pages=074010 }}</ref> conclurent que le signal ne se distinguait que très faiblement du bruit de fond.
* Le {{date|14|juillet|2015|en science}}, le [[Organisation européenne pour la recherche nucléaire|CERN]] annonce officiellement que les données fournies par le détecteur [[LHCb]] du [[Grand collisionneur de hadrons]] ont permis d'observer des particules composées de cinq quarks <math>[uc][\bar cu]d</math> (deux ''{{lang|en|up}}'', un ''{{lang|en|down}}'', un ''{{lang|en|charm}}'' et un anti-''{{lang|en|charm}}'') et de charge +1, lors de la désintégration du baryon <math>(\Lambda^0)_b</math><ref>{{harvsp |Wolschin |2017|p=26 et 28|id=Wolchin2017}}.</ref>{{,}}<ref>{{en}} [http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#Penta « {{lang|en|14 July 2015: Observation of particles composed of five quarks}} »] sur la page officielle du [[LHCb]], le {{date|14 juillet 2015}}.</ref>{{,}}<ref>{{Lien web|périodique = [[Le Temps (quotidien suisse)|Le Temps]] |titre = CERN : première observation concluante de pentaquarks |url = http://www.letemps.ch/Page/Uuid/7fdc9ddc-2a0e-11e5-8a84-afa5481f305f/CERN_premi%25C3%25A8re_observation_concluante_de_pentaquarks |consulté le = 14 juillet 2015}}.</ref>.[[Fichier:Pentaquark-Feynman.svg|alt=Feynman diagram representing the decay of a lambda baryon Λ0 b into a kaon K− and a pentaquark P+ c.|vignette|367x367px|Diagramme de Feynman d'un baryon lambda (Λ0 b) se décomposant en un pentaquark (P+ c) et un kaon (K−).]]
* Le {{date|5|juin|2019|en science}}, la collaboration [[LHCb]] publie la découverte de trois nouveaux états<ref group="alpha" name="deux">En réalité les états à {{unité|4440 et 4457 MeV}} remplacent l'état à {{unité|4450 MeV}} annoncé en 2015.</ref> d'un même pentaquark, de masses {{formatnum:4312}}, {{unité|4440 et 4457 MeV}}<ref name="Aaij2019" />. Tous trois sont constitués de deux quarks ''[[Quark up|{{lang|en|up}}]]'', un ''[[Quark down|{{lang|en|down}}]]'', un ''[[Quark charm|{{lang|en|charm}}]]'' et un ''{{lang|en|anticharm}}'', 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 un [[baryon]] ou un [[méson]], un ensemble non structuré de quarks liés par l'échange de [[gluon]]s<ref name="Cho2019">{{article| langue=en | titre=New pentaquarks hint at zoo of exotic matter | auteur=Adrian Cho| périodique=[[Science (revue)|Science]] | volume=364 | numéro=6444 | page=917 | date=7 juin 2019}}.</ref>.
* Pour d'autres, {{refnec|un pentaquark est composé de deux {{lien|diquark| texte=diquarks}}, et d'un [[antimatière|antiquark]]}}. Ainsi le [[nombre baryonique]] d'un pentaquark est de :
*:<math>q=2\times\left(\frac23-\frac13\right)+\operatorname{opp}\left(-\frac13\right)=1</math>.
* 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 de [[Pion (particule)|mésons pi]]<ref name="Cho2019" />. La découverte par l'expérience [[LHCb]] de trois nouveaux états<ref group=alpha name="deux" /> d'un même pentaquark<ref name="Aaij2019">{{article| langue=en | titre=Observation of a Narrow Pentaquark State, {{math|''P{{ind|c}}''(4312){{exp|+}}}}, and of the Two-Peak Structure of the {{math|''P{{ind|c}}''(4450){{exp|+}}}} | auteur=R. Aaij {{et al.}} (LHCb Collaboration) | périodique={{lang|en|[[Physical Review Letters]]}} | volume=122 | numéro article=222001 | date=5 juin 2019 | doi=/10.1103/PhysRevLett.122.222001 | lire en ligne=https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.122.222001 | format=pdf | consulté le=7 juin 2019}}.</ref> conforte 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 du [[Quark charm|quark charmé]] et 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 :

{|class="wikitable" width="50%" align="center"
|-
! width="33%" | '''Nom (composition)'''
! width="33%" | ''' État'''
! width="33%" | '''[[Masse]] (incertitude) [[MeV]]'''
|-
|<math>\Theta^+ ([ud][ud]\bar s)</math>
|Observé
|1 539 (95)
|-
|<math>\Theta_c ([ud][ud]\bar c)</math>
|Observé, non confirmé
|2 977 (109)
|-
|<math>\Xi^{--} ([ds][ds]\bar u)</math>
|Observé
|1 826 (87)
|-
|<math>N^+ ([ud][ud]\bar d)</math>
|Pourrait correspondre à la [[résonance de Roper]] N(1440)P11
|1 460 (51)
|-
|<math>N_c^- ([ud][ds]_+\bar c)</math>
|Hypothétique
| 3 180 (69)
|-
|<math>N_c^0 ([ud][us]_+\bar c)</math>
|Hypothétique
|3 180 (69)
|-
|<math>\Xi_{5c}^{--} ([ds][ds]\bar c)</math>
|Hypothétique
|3 650 (95)
|-
|<math>\Xi_{5c}^- ([ds][us]_+\bar c)</math>
|Hypothétique
|3 650 (95)
|-
|<math>\Xi_{5c}^0 ([us][us]\bar c)</math>
|Hypothétique
|3 650 (95)
|-
|<math>T_c^- ([ud][ds]_-\bar c)</math>
|Hypothétique
|2 785 (46)
|-
|<math>T_c^0 ([ud][us]_-\bar c)</math>
|Hypothétique
|2 785 (46)
|-
|<math>T_{cs}^- ([us][ds]_-\bar c)</math>
|Hypothétique
|entre <math>\simeq</math> 2 580 et <math>\simeq</math> 2 910
|-
|<math>\Theta_b ([ud][ud]\bar b)</math>
|Hypothétique
|entre <math>\simeq</math> 6 050 et <math>\simeq</math> 6 400
|-
|<math>?\ ([duc][u\bar c])</math>
|Observé<ref name="Aaij2019" />
|{{formatnum:4312}}, {{formatnum:4440}} et {{formatnum:4457}}
|}

L'existence d'autres pentaquarks plus étranges, contenant par exemple deux quarks <math>s</math> et un antiquark <math>\bar b</math>, a été proposée.

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références|groupe=alpha}}

=== Références ===
{{Références}}

== Voir aussi ==
=== Bibliographie ===
* {{article| titre=Des quarks aux pentaquarks | auteur=Georg Wolschin | périodique=[[Pour la science]]| pages=20-28 | numéro=471 | mois=janvier | année=2017}}.

=== Articles connexes ===
* [[Physique des particules]]
* [[Confinement de couleur]]
* [[Baryon]]
* [[Hadron]]
* [[Hexaquark]]
* [[Méson]]
* [[Tétraquark]]

{{Palette|Tableau particules}}
{{Portail|Physique}}

[[Catégorie:Chromodynamique quantique]]
[[Catégorie:Hadron]]