Observation of the decay $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J\mskip -3mu/\mskip -2mu\psi \mu^+\mu^-$

Unter Verwendung von 9 fb$^{-1}$ an Proton-Proton-Kollisionsdaten des LHCb-Detektors berichtet diese Arbeit über die erste Beobachtung des Zerfalls $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \mu^+\mu^-$ mit einer Signifikanz von 6,5$\sigma$ und misst dessen Verzweigungsverhältnis relativ zum Modus $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \pi^+\pi^-$ zu $(1,68\pm 0,32\pm 0,05)\times10^{-3}$.

Das Wesentliche

Die große Teilchenjagd: Einen Geist in der Maschine finden

Stellen Sie sich den Large Hadron Collider (LHC) am CERN als den leistungsstärksten Teilchenzertrümmerer der Welt vor. Er schießt Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander und erzeugt eine chaotische Explosion aus subatomarem Schutt. Der größte Teil dieses Schutts ist langweilig und vorhersehbar, doch manchmal, im Chaos verborgen, lauern seltene, exotische Teilchen, die nicht in das Standardregelwerk der Physik passen.

Dieser Bericht handelt von der erfolgreichen Jagd des LHCb-Experiments auf ein solches seltenes Ereignis: einen spezifischen „Geister"-Zerfall eines Teilchens namens $\chi_{c1}(3872)$.

Das mysteriöse Teilchen: $\chi_{c1}(3872)$

Stellen Sie sich das $\chi_{c1}(3872)$ als einen mysteriösen Gast auf einer Party vor. Wir wissen, dass es existiert, und wir kennen seinen Namen, doch Wissenschaftler streiten immer noch darüber, was es tatsächlich ist.

• Ist es ein Standard-„Charmonium"-Teilchen (ein schweres Quark und sein Antiquark, die sich an den Händen halten)?
• Ist es ein „Tetraquark" (vier Quarks, die zusammengeklebt sind)?
• Ist es ein „Molekül", das aus zwei anderen Teilchen besteht, die lose aneinander gebunden sind?

Um dieses Rätsel zu lösen, müssen Wissenschaftler beobachten, wie sich dieses Teilchen verhält, wenn es zerfällt. Je mehr Zerfallskanäle wir beobachten können, desto besser können wir seine wahre Natur verstehen.

Die neue Entdeckung: Ein seltener Zerfall

Lange Zeit wussten Wissenschaftler, dass das $\chi_{c1}(3872)$ häufig in ein $J/\psi$ (ein schweres Teilchen) und zwei Pionen (leichte Teilchen) zerfällt. Das ist so, als würde das Teilchen eine Vase in einen schweren Topf und zwei kleine Kieselsteine zerbrechen. Dies geschieht häufig.

Dieser Bericht kündigt jedoch das erste Mal an, dass jemand den Zerfall des $\chi_{c1}(3872)$ in ein $J/\psi$ und zwei Myonen (schwere Cousins der Elektronen) beobachtet hat.

• Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Spielzeug, das normalerweise in einen schweren Block und zwei kleine Murmeln zerfällt. Sie haben dies Tausende Male gesehen. Doch plötzlich sehen Sie, wie es in einen schweren Block und zwei schwere Bowlingkugeln zerfällt. Es ist dasselbe Spielzeug, aber eine viel seltenere, seltsamere Art zu zerbrechen.

Das Team analysierte Daten von 2011 bis 2018 (etwa 9 „inverse Femtobarns" an Daten, was eine ausgefallene Art ist, „eine massive Menge an Kollisionsaufzeichnungen" zu sagen). Sie fanden 60 dieser seltenen Ereignisse. Die statistische Sicherheit, dass dies nicht nur zufälliges Rauschen war, beträgt 6,5 Sigma. In der Welt der Teilchenphysik ist 5 Sigma der Goldstandard für eine „Entdeckung", also ist 6,5 ein sehr selbstbewusstes „Ja, wir haben es gesehen!".

Wie sie es fanden (die Detektivarbeit)

Diese seltenen Ereignisse zu finden, ist wie das Finden einer spezifischen Nadel in einem Heuhaufen von der Größe einer Stadt, wobei die Nadel fast genau wie ein Strohhalms aussieht.

1. Der Filter (Trigger): Das Computersystem fungiert wie ein Türsteher in einem Club und lässt nur Ereignisse herein, die vielversprechend aussehen (wie das Vorhandensein von zwei Myonen).
2. Der Detektiv (BDT): Das Team verwendete einen „Boosted Decision Tree" (BDT), was im Wesentlichen ein superscharfes Computer-Algorithmus ist, der darauf trainiert wurde, Muster zu erkennen. Es wurde ihm beigebracht, zwischen echten Myonen und Pionen zu unterscheiden, die sich als Myonen ausgeben (ein häufiger Trick in der Teilchenphysik).
   • Analogie: Stellen Sie sich einen Sicherheitsbeamten vor, der den Unterschied zwischen einem echten Diamanten und einem Stück Glas erkennen muss, das wie ein Diamant aussieht. Der BDT ist der Wächter, der Tausende von Diamanten studiert hat und genau weiß, wie das Licht von dem echten reflektiert wird.
3. Der Vergleich: Um zu messen, wie selten dieses Ereignis ist, verglichen sie es mit dem üblichen „Kieselstein"-Zerfall ($J/\psi$ + Pionen). Sie fanden heraus, dass das Teilchen bei jedem 1.000. Zerfall in Kieselsteine etwa 1,7 Mal in Bowlingkugeln (Myonen) zerfällt.

Was dies bedeutet

Der Bericht kommt zu dem Schluss, dass dieser seltene Zerfall mit einem Verzweigungsverhältnis von ungefähr $1,68 \times 10^{-3}$ relativ zum üblichen Zerfall stattfindet.

• Der Vorhersage-Check: Vor diesem Experiment sagte ein theoretischer Bericht voraus, dass dieser Zerfall etwa 4 Mal von 100.000 vorkommen würde. Die neue Messung liegt bei ungefähr 7 Mal von 100.000. Obwohl es keine exakte Übereinstimmung ist, ist das neue Ergebnis nah genug an der Vorhersage, um zu sagen: „Okay, unsere aktuellen Theorien sind nicht völlig falsch, aber wir müssen genauer hinschauen."

Das Fazit

Dieser Bericht behauptet nicht, das Rätsel gelöst zu haben, was das $\chi_{c1}(3872)$ ist. Stattdessen hat er eine neue Tür geöffnet. Indem er beweist, dass dieses Teilchen in Myonen zerfallen kann, haben Wissenschaftler nun ein neues Werkzeug, um es zu untersuchen.

Die Autoren schlagen vor, dass sie mit noch mehr Daten in der Zukunft vielleicht in der Lage sein könnten zu sehen, wie der Zerfall stattfindet – ob er durch ein „virtuelles Photon" (ein flüchtiger Lichtblitz) oder durch die Erzeugung anderer Teilchen wie das $\omega$-Meson angetrieben wird. Dies könnte ihnen endlich helfen zu entscheiden, ob das $\chi_{c1}(3872)$ ein kompaktes Tetraquark, ein loses Molekül oder etwas ganz anderes ist.

Kurz gesagt: Sie haben einen sehr seltenen, seltsamen Weg gefunden, auf dem ein mysteriöses Teilchen zerfällt, was bestätigt, dass es existiert, und gibt den Physikern einen neuen Hinweis, um das 20 Jahre alte Rätsel zu lösen, was dieses Teilchen wirklich ist.

Technische Zusammenfassung

Technische Zusammenfassung: Beobachtung des Zerfalls $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$

Problem und Motivation
In den letzten zwei Jahrzehnten ist die Natur des $\chi_{c1}(3872)$-Zustands (früher $X(3872)$) innerhalb des Gebiets der Hadronenspektroskopie Gegenstand intensiver Debatten geblieben. Während seine Existenz und seine Quantenzahlen ($J^{PC} = 1^{++}$) gut etabliert sind, wird seine innere Struktur kontrovers diskutiert, wobei Hypothesen von einem kompakten Tetraquark über ein locker gebundenes $D^{*0}D^0$-Molekül bis hin zu einer Mischung aus Charmonium- und molekularen Komponenten reichen. Um diese Natur zu klären, sind weitere Studien seiner Zerfallskanäle erforderlich.

Der Zerfall $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$ ist von besonderem Interesse, da er ein Myon-Antimyon-Paar (Dimuon) beinhaltet. Theoretische Überlegungen deuten darauf hin, dass bei niedrigen Dimuonmassen der Zerfall durch einen virtuellen Photon-Pol dominiert wird, während bei höheren Massen Beiträge von realen $\rho^0$- und $\omega$-Mesonen erwartet werden. Das $\omega$-Meson koppelt stärker an das Dimuon-Paar als das $\rho^0$, was den $\omega$-Beitrag im Modus $J/\psi\mu^+\mu^-$ im Vergleich zum analogen Modus $J/\psi\pi^+\pi^-$ potenziell häufiger macht. Vor dieser Arbeit hatte dieser Zerfallskanal nur wenig Beachtung gefunden, wobei nur eine theoretische Schätzung auf Basis von Dalitz-Zerfallsbeiträgen einen Verzweigungsverhältnis von $(4.2 \pm 1.7) \times 10^{-5}$ vorhersagte. Zusätzlich wurde das potenzielle Vorhandensein des $\chi_{c0}(3915)$-Zustands im invarianten Massen-Spektrum der Dimuons oberhalb der $\omega$-Schwelle als ein Faktor notiert, der bei der Modellierung des Untergrunds berücksichtigt werden muss.

Methodik
Die Analyse verwendet Proton-Proton-Kollisionsdaten, die vom LHCb-Detektor zwischen 2011 und 2018 gesammelt wurden und einer integrierten Luminosität von $9 \text{ fb}^{-1}$ entsprechen (3 $\text{fb}^{-1}$ bei $\sqrt{s} = 7, 8$ TeV und 6 $\text{fb}^{-1}$ bei 13 TeV). Die Studie konzentriert sich auf versetzte $\chi_{c1}(3872)$-Kandidaten, die aus dem Zerfall langlebiger Beauty-Hadronen stammen.

• Selektion: Die Analyse selektiert $J/\psi \to \mu^+\mu^-$-Kandidaten, die vom primären Wechselwirkungsvertex versetzt sind. Diese werden mit einem Paar entgegengesetzt geladener Spuren kombiniert, die als Myonen (für das Signal) oder Pionen (für den Normalisierungskanal, $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$) identifiziert wurden.
• Unterdrückung des Untergrunds: Um Untergrund von Pionen abzulehnen, die im Signalkanal fälschlicherweise als Myonen identifiziert wurden, wird ein Boosted Decision Tree (BDT1)-Klassifikator unter Verwendung von Simulation trainiert und mit dem Kontrollmodus $\chi_{c1}(1P) \to J/\psi\mu^+\mu^-$ validiert. Ein zweiter BDT (BDT2) wird eingesetzt, um kombinatorischen Untergrund von zufälligen $J/\psi$- und Myon-Kombinationen zu reduzieren.
• Massenmodellierung: Die Signalausbeute wird durch eine erweiterte, nicht-binnige Maximum-Likelihood-Anpassung an die Verteilung der invarianten Masse von $J/\psi\mu^+\mu^-$ extrahiert. Die Signallinienform wird durch eine Breit-Wigner-Funktion modelliert, die mit einer doppelseitigen Crystal-Ball-Funktion gefaltet ist. Der kombinatorische Untergrund wird durch ein Polynom erster Ordnung multipliziert mit einem Phasenraumfaktor modelliert. Die Anpassung umfasst Komponenten für das $\chi_{c1}(3872)$-Signal, kombinatorischen Untergrund, Untergrund durch Fehlidendifizierung von Pionen und einen potenziellen Beitrag von $\chi_{c0}(3915)$. Kandidaten mit gleicher Ladung ($J/\psi\mu^\pm\mu^\pm$) werden verwendet, um die Untergrundform einzuschränken.
• Effizienz und Normalisierung: Das Verzweigungsverhältnis wird relativ zum häufigen Modus $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$ gemessen. Relative Nachweis- und Selektionseffizienzen werden unter Verwendung von Simulationen bewertet, wobei Korrekturen für Teilchenidentifikation (PID) und Unterschiede in der BDT-Leistung zwischen Daten und Simulation angewendet werden.

Hauptbeiträge und Ergebnisse
Die Arbeit berichtet über die erste Beobachtung des Zerfalls $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$.

• Signifikanz: Das Signal wird mit einer statistischen Signifikanz von $6.5\sigma$ beobachtet, einschließlich systematischer Unsicherheiten im Zusammenhang mit dem Massenmodell.
• Ausbeuten: Die gesamte angepasste Ausbeute für das Signal beträgt $60 \pm 11$ Ereignisse über Run 1 und Run 2 hinweg. Die angepasste Masse beträgt $3872.58 \pm 0.83$ MeV. Die Ausbeute für den $\chi_{c0}(3915)$-Zustand wird mit $14 \pm 14$ ermittelt, was darauf hindeutet, dass der aktuelle Datensatz nicht ausreicht, um starke Schlussfolgerungen über sein Vorhandensein in diesem Kanal zu ziehen.
• Verzweigungsverhältnis: Das Verhältnis der Verzweigungsverhältnisse wird gemessen als:
  $$\frac{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-)}{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-)} = (1.68 \pm 0.32 \pm 0.05) \times 10^{-3}$$
  wobei die erste Unsicherheit statistisch und unkorreliert systematisch ist und die zweite korreliert systematisch.
• Absolutes Verzweigungsverhältnis: Unter Verwendung des bekannten Verzweigungsverhältnisses für den Normalisierungskanal wird das absolute Verzweigungsverhältnis bestimmt zu:
  $$\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-) = (7.2 \pm 2.7) \times 10^{-5}$$
  Dieses Ergebnis ist konsistent mit der theoretischen Vorhersage von $(4.2 \pm 1.7) \times 10^{-5}$ in Ref. [15], die nur den Dalitz-Beitrag berücksichtigt.

Bedeutung der Arbeit
Die Autoren stellen fest, dass diese erste Beobachtung dazu beitragen könnte, die Natur des $\chi_{c1}(3872)$-Zustands zu klären und potenzielle Wege für zukünftige Untersuchungen zu identifizieren. Die Arbeit weist darauf hin, dass mit einem größeren Datensatz es möglich sein wird, die Zerfallsformfaktoren zu untersuchen, um Beiträge des virtuellen Photons und der $\rho^0$- oder $\omega$-Mesonen zu entwirren. Ferner würde ein größerer Datensatz eine detailliertere Untersuchung der Verstärkung, die mit dem $\chi_{c0}(3915)$-Zustand konsistent ist, ermöglichen, um zu bestimmen, welche Zustände in diesem Massenbereich vorhanden sind. Die Arbeit baut auf früheren Beobachtungen ähnlicher myonischer Dalitz-Zerfälle von $\chi_c$- und $\chi_b$-Mesonen auf.