Review of flavour physics at ATLAS and CMS

ملخص تقني: مراجعة فيزياء النكهة في تجاربي ATLAS و CMS

المشكلة والسياق
تعد فيزياء النكهة مجالاً حيوياً لاختبار النموذج القياسي (SM) بدقة عالية واستقصاء الفيزياء الجديدة المحتملة. وبينما هيمنت تجارب النكهة المتخصصة تاريخياً على هذا المجال، أثبتت كاشفات الأغراض العامة ATLAS و CMS في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) مكانتهما كمرافقات تنافسية. ومن خلال الاستفادة من تغطيتها للزاوية المجسمة شبه الكاملة، وأداء التحديد الرأسي الممتاز، وقدرات إعادة بناء الميونات الفائقة، تُكمل هذه التجارب الجهود المتخصصة. تراجع هذه الورقة النتائج الأخيرة في فيزياء النكهة التي حصلت عليها ATLAS و CMS باستخدام بيانات تصادمات بروتون-بروتون من التشغيل الثاني (Run 2) وجزء من التشغيل الثالث (Run 3) لـ LHC. تستهدف التحليلات تحديداً اضمحلالات النكهات الثقيلة، باستخدام مشغلات (triggers) تتطلب وجود ميونين على الأقل في الحدث لتعزيز القبول للعمليات ذات الطاقة المنخفضة.

المنهجية
تشمل المراجعة مجموعة متنوعة من التحليلات التي تستخدم القياسات التفاضلية، وتحديدات العمر، والبحث عن الرنين:

• قياسات المقطع العرضي: قاس CMS مقاطع عرض الإنتاج لحالات $\Upsilon(nS)$ ($n=1,2,3$) عند طاقة مركز الكتلة تبلغ 13.6 تريليون إلكترون فولت باستخدام 37.4 فمتوبالتر$^{-1}$ من بيانات التشغيل الثالث. هذه القياسات تفاضلية بالنسبة للزخم المستعرض ($p_T$) حتى 200 جيجا إلكترون فولت. وقامت ATLAS بقياس المقاطع العرضية لميزونات $D^\pm$ و $D^\pm_s$ باستخدام 137 فمتوبالتر$^{-1}$ من بيانات التشغيل الثاني، مما وسع نطاق الـ $p_T$ إلى 100 جيجا إلكترون فولت عبر قناة الاضمحلال $D \to \phi(\mu^+\mu^-)\pi^\pm$.
• العمر وانقسام الكتلة: حددت ATLAS عمر ميزون $B^0$ ($\tau(B^0)$) باستخدام 140 فمتوبالتر$^{-1}$ من بيانات التشغيل الثاني. وقام CMS بأول إعادة بناء حصري لميزونات $B^*$ المثارة ($B^{*+}, B^{*0}, B^{*0}_s$) باستخدام 140 فمتوبالتر$^{-1}$ من بيانات التشغيل الثاني، حيث أعاد بناء الفوتونات عبر التحول ($\gamma \to e^+e^-$) لقياس انقسامات الكتلة فائقة الدقة.
• البحث عن الحالات الغريبة: بحث كلا التعاونين عن التتراكوارات (tetraquarks) ذات السحر الكلي في أطياف الميزون المزدوج السحر ($J/\psi J/\psi$ و $J/\psi \psi(2S)$). استخدم CMS بيانات التشغيل الثاني المجمعة (135 فمتوبالتر$^{-1}$) والتشغيل الثالث (180 فمتوبالتر$^{-1}$)، بينما استخدمت ATLAS 140 فمتوبالتر$^{-1}$ من بيانات التشغيل الثاني، مع دمج نمط الاضمحلال $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$ لأول مرة في هذه القناة.
• دراسات الاضمحلال النادر: أُجريت عمليات البحث عن اضمحلالات انتهاك نكهة اللبتون ($\tau \to 3\mu$) من قبل كلا التجربتين. كما أبلغ CMS عن أول رصد لـ $\eta \to \mu^+\mu^-e^+e^-$ وعن عمليات بحث لـ $B^0_s(B^0) \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$. علاوة على ذلك، أجرى CMS قياساً تفاضلياً لاضمحلال $B^0_s \to \phi \mu^+\mu^-$ النادر باستخدام 138 فمتوبالتر$^{-1}$ من بيانات التشغيل الثاني، مع المعايرة مقابل $B^0_s \to \phi J/\psi(\mu^+\mu^-)$.

المساهمات والنتائج الرئيسية

• إنتاج النكهة الثقيلة: تتوافق المقاطع العرضية التفاضلية لإنتاج $\Upsilon(nS)$ عند 13.6 تريليون إلكترون فولت بشكل جيد مع تنبؤات الكروموديناميكا غير النسبية (NRQCD). وبالمثل، تتوافق قياسات ATLAS لمقاطع $D^\pm_s$ العرضية حتى $p_T = 100$ جيجا إلكترون فولت مع تنبؤات مخطط المتغير ذي الكتلة العامة (GM-VFNS).
• المعلمات الدقيقة: يعطي قياس ATLAS لعمر $B^0$ قيمة $\tau(B^0) = 1.5053 \pm 0.0012 \text{ (stat)} \pm 0.0035 \text{ (syst)}$ بيكو ثانية، وهو يمثل القياس الأكثر دقة حتى الآن. حققت قياسات CMS لانقسامات الكتلة فائقة الدقة ($m(B^*) - m(B)$) دقة أفضل برتبة مقدار واحد من النتائج السابقة.
• التتراكوارات ذات السحر الكلي: رصد CMS ثلاثة رنينات في طيف $J/\psi J/\psi$ وهي — $X(6600)$، $X(6900)$، و $X(7100)$ — بدلالات تتجاوز $5\sigma$. كما لوحظ $X(6900)$ أيضاً في طيف $J/\psi \psi(2S)$. تشير التحليلات الزاوية إلى أن هذه الحالات متوافقة مع التتراكوارات ذات السحر الكلي ذات $J^{PC} = 2^{++}$. وأكدت ATLAS وجود رنين $X(6900)$ لكنها لم تسجل أي بنية معنوية عند 7.1 جيجا إلكترون فولت.
• الاضمحالات النادرة: لم يتم العثور على أي فائض معنوي في عمليات البحث عن $\tau \to 3\mu$، مما أدى إلى حدود عليا عند مستوى ثقة 90% لكسر التفرع $B(\tau \to 3\mu) < 8.7 \times 10^{-8}$ (ATLAS) و $6.7 \times 10^{-8}$ (CMS). رصد CMS اضمحلال $\eta \to \mu^+\mu^-e^+e^-$ وحسّن الحدود لـ $B^0_s(B^0) \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ بنحو 30%.
• تحليل $B^0_s \to \phi \mu^+\mu^-$: يتوافق المقطع العرضي التفاضلي لهذا الاضمحلال، المقاس في فئات $q^2$، بشكل جيد مع قياسات LHCb الأخيرة. ومع ذلك، تكشف المقارنات مع مختلف التنبؤات النظرية عن توترات تصل إلى $4.2\sigma$. وُجد أن كسر الاستقطاب الطولي ($F_L$) لميزون $\phi$ يتوافق جيداً مع التوقعات النظرية.

الأهمية
تؤكد الورقة أن ATLAS و CMS قد نجحتا في ترسيخ مكانتهما كمرافقات تنافسية لفيزياء النكهة الثقيلة، حيث تقدمان قياسات مكملة لتلك القادمة من تجارب النكهة المتخصصة. وتُظهر النتائج قدرة هذه الكاشفات للأغراض العامة على دفع حدود الدقة في فيزياء النكهة من خلال استراتيجيات مشغلات وتقنيات إعادة بناء متقدمة. إن ملاحظات التتراكوارات ذات السحر الكلي والقياسات الدقيقة لخصائص النكهة الثقيلة تساهم بشكل كبير في توصيف ديناميكيات الكروموديناميكا الكمية والبحث عن فيزياء ما وراء النموذج القياسي. ومن المتوقع أن يؤدي تحليل بيانات التشغيل الثالث المستمر إلى تعزيز برنامج فيزياء النكهة لكلا التعاونين بشكل أكبر.