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La désintégration d'une particule a révélé la véritable nature des mésons scalaires légers.
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À l'intérieur du proton et du neutron, la vie bouillonne : les quarks échangent des gluons, et des paires de particules surgissent brièvement avant de disparaître. Certaines d'entre elles, appelées mésons scalaires, ne vivent que 10⁻²³ seconde — moins de temps qu'il n'en faut à la lumière pour traverser un noyau atomique. Les scientifiques débattent depuis longtemps de leur nature : s'agit-il de simples paires quark-antiquark, de tétraquarks (quatre quarks ensemble), ou même de « molécules » composées de deux mésons collés comme des gouttes d'eau ?
L'accélérateur BESIII à Pékin fait entrer en collision des électrons et des positons, produisant des mésons Ds — des particules qui vivent assez longtemps pour que leur désintégration puisse être étudiée en détail. Dans la nouvelle expérience, les physiciens ont observé pour la première fois un méson Ds se désintégrer en trois pions et un méson êta. Parmi les débris, ils ont remarqué une paire a0(980) et f0(500) — deux mésons scalaires. La fréquence de cette désintégration s'est avérée être d'environ un pour cent — bien plus élevée que ce que prédisent les modèles simples. C'est comme si, en démontant un jeu de construction de quatre pièces, une fois sur cent, deux pièces se révélaient collées par une colle invisible dont on ignorait l'existence.
La probabilité de désintégration mesurée pour Ds+ → a0(980)+ f0(500) est de (0.98 ± 0.16 ± 0.22)%. C'est des dizaines de fois plus élevé que les estimations naïves qui considèrent a0 et f0 comme de simples paires de quarks.
Ce rendement étonnamment élevé de la paire a0(980) et f0(500) suggère que ces particules ont une structure interne plus complexe que deux quarks. Peut-être ressemblent-elles effectivement à des « molécules » lâches formées d'autres mésons, qui se créent facilement dans l'espace confiné de la désintégration. Les nouvelles données imposent des contraintes strictes aux théoriciens : tout modèle de la structure interne des mésons scalaires doit désormais reproduire ce chiffre.
La même expérience a permis de préciser la fréquence à laquelle le méson Ds se désintègre en émettant un méson êta. Auparavant, une partie de ces désintégrations échappait aux détecteurs, laissant un « résidu sombre » de quelques pour cent. Maintenant, après la mesure de la désintégration en π+π0π0η, cette queue non comptabilisée s'est réduite à (0.1 ± 3.1)% — pratiquement à zéro. Les physiciens qui recherchent des désintégrations rares du méson Ds disposent désormais d'une image plus claire : presque toutes les voies de désintégration avec un méson êta sont maintenant connues.
We report the first observation of the decay $$D_s^+ \to \pi^+\pi^0\pi^0\eta$$ in a data set corresponding to an integrated luminosity of 7.33 fb$$^{-1}$$, collected in $$e^+e^-$$ collisions by the BESIII detector at center-of-mass energies between 4.128 and 4.226 GeV. An unexpectedly large branching fraction $$\mathcal{B}( D_s^+ \to a_0(980)^+ f_0(500), a_0(980)^+ \to \pi^+\eta, f_0(500)\to \pi^0\pi^0) = (0.98 \pm 0.16_{\rm{stat.}} \pm 0.22_{\rm{syst.}})\%$$ is measured with a significance exceeding $$10\sigma$$, offering new constraints on the internal structure of light scalar mesons. The dominant intermediate process is $$D_s^+ \to a_1(1260)^+\eta, a_1(1260)^+\to \rho(770)^+\pi^0$$ with a branching fraction of $$(1.77 \pm 0.21_{\rm stat.} \pm 0.12_{\rm syst.})\%$$. The isospin symmetry has been validated to the decays of $$a_1(1260)^+\to \rho(770)^0\pi^+$$ and $$a_1(1260)^+\to \rho(770)^+\pi^0$$. Moreover, the measured $$\mathcal{B}(D_s^+\to \pi^+\pi^0\pi^0\eta|_{\rm{non}-\eta^\prime})=(2.97 \pm 0.23_{\rm stat.} \pm 0.14_{\rm sys.})$$ reduces the undetected $$D_s^+ \to \eta X$$ decay branching fractions to (0.1 $$\pm$$ 3.1)\%.
Le méson scalaire f0(500) était autrefois appelé méson sigma, et son existence a longtemps été contestée — il est si large et flou sur les graphiques qu'il ressemble à une tache diffuse plutôt qu'à une ligne nette.