Probing the nature of the $\chi_{c1}(3872)$ state using radiative decays

Utilizando datos de colisiones protón-protón del detector LHCb, este estudio observa por primera vez la desintegración radiativa $\chi_{c1}(3872)\rightarrow\psi(2S)\gamma$ y mide una relación de ramificación que desafía la interpretación del $\chi_{c1}(3872)$ como una molécula pura de $D^0\bar{D}^{*0}$, sugiriendo fuertemente que contiene un componente significativo de charmonio compacto o tetraquark.

Lo esencial

El misterio de la "partícula fantasma"

Imagina que eres un detective tratando de averiguar de qué está hecho un objeto muy extraño y elusivo. Tienes un sospechoso: una partícula llamada $\chi_{c1}(3872)$.

Durante más de 20 años, los científicos han estado discutiendo sobre la identidad de esta partícula. Es como un camaleón que cambia su apariencia dependiendo de cómo lo mires.

• Teoría A (La Teoría Molecular): Algunos científicos piensan que es una "pareja suelta". Imagina dos casas distintas (partículas llamadas $D^0$ y $D^{*0}$) paradas una al lado de la otra en un campo, apenas tomándose de la mano. Están lejos la una de la otra, formando una "molécula".
• Teoría B (La Teoría Compacta): Otros científicos piensan que es una "familia muy unida". Imagina a cuatro personas (quarks) amontonadas en una habitación diminuta, fuertemente unidas. Esto podría ser un "tetraquark" o una partícula de charmonio estándar.

El problema es que la partícula se parece a ambas. Es demasiado pesada para ser solo una partícula estándar, pero se produce con demasiada facilidad para ser solo una pareja suelta.

El experimento: Un destello de luz

Para resolver este misterio, la colaboración LHCb (un equipo de científicos que utiliza un detector de partículas gigante en el CERN) decidió observar cómo esta partícula "muere" o decae. Específicamente, observaron qué sucede cuando la partícula emite un destello de luz (un fotón, $\gamma$).

Piensa en la $\chi_{c1}(3872)$ como un fuego artificial resplandeciente. Cuando explota, puede convertirse en dos tipos diferentes de fuegos artificiales:

1. Tipo 1: Un fuego artificial estándar llamado $J/\psi$.
2. Tipo 2: Un fuego artificial más grande y pesado llamado $\psi(2S)$.

Los científicos se hicieron una pregunta sencilla: ¿Cuál prefiere? ¿Produce mayoritariamente el fuego artificial estándar, o sorprendentemente produce el más grande?

El descubrimiento

Utilizando datos de miles de millones de colisiones de protones (equivalente a 9 años de recolección de datos), el equipo hizo dos cosas importantes:

1. Primera observación: Detectaron por primera vez la $\chi_{c1}(3872)$ convirtiéndose en el fuego artificial más grande ($\psi(2S)$) más un fotón. Antes de esto, solo habían visto indicios de ello. Ahora, tienen un avistamiento confirmado.
2. La proporción: Contaron cuántas veces producía el fuego artificial pequeño frente al grande. Descubrieron que la partícula produce el fuego artificial grande ($\psi(2S)$) aproximadamente 1.67 veces más a menudo que el pequeño.

El veredicto: ¿De qué está hecha?

Esta proporción es la "pistola humeante" que resuelve el misterio.

• Si fuera una "Pareja Suelta" (Molécula): Los cálculos teóricos dicen que una pareja suelta casi nunca produciría el fuego artificial más grande. Sería como una pareja suelta intentando levantar un piano pesado; simplemente no tienen la fuerza. La predicción era que el fuego artificial grande debería ser extremadamente raro (menos del 1% de las veces).
• Si fuera una "Familia Compacta" (Compacta): Los cálculos teóricos dicen que una familia unida es lo suficientemente fuerte como para producir el fuego artificial grande con frecuencia. La predicción era que el fuego artificial grande debería ser común (más de 1 vez por cada uno pequeño).

El resultado: Los científicos encontraron que el fuego artificial grande se producía 1.67 veces más a menudo que el pequeño.

La conclusión

El artículo concluye que la teoría de la "Pareja Suelta" es altamente improbable. La partícula es demasiado "fuerte" y "compacta" para ser solo dos casas distantes tomadas de la mano.

En cambio, los datos sugieren fuertemente que la $\chi_{c1}(3872)$ contiene un componente "compacto" significativo. Es probable que sea un grupo de quarks estrechamente unido (un tetraquark) o una partícula de charmonio estándar, quizás mezclada con un poco del comportamiento de "pareja suelta", pero el núcleo de ella es definitivamente una estructura estrecha y compacta.

En resumen: La partícula no es una relación frágil y distante; es una familia estrecha y compacta. La idea de la "molécula", si es que existe, es solo una pequeña parte de la historia.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Sondeo de la naturaleza del estado $\chi_{c1}(3872)$ mediante desintegraciones radiativas

Problema y Motivación
La estructura interna del estado $\chi_{c1}(3872)$ (también conocido como $X(3872)$) sigue siendo una de las preguntas abiertas más significativas en la espectroscopia de hadrones. Aunque su masa es extremadamente cercana al umbral $D^0\bar{D}^{*0}$ y sus números cuánticos son $J^{PC} = 1^{++}$, su naturaleza exacta es objeto de debate. La proximidad al umbral y un gran acoplamiento al sistema $D^0\bar{D}^{*0}$ apoyan la interpretación del estado como un estado molecular débilmente ligado de $D^0\bar{D}^{*0} + \bar{D}^0 D^{*0}$. Sin embargo, la sección eficaz de producción observada en colisiones de hadrones de alta energía es significativamente mayor que las predicciones teóricas para un objeto molecular puro, lo que sugiere un componente compacto sustancial, tal como un charmonium convencional ($\chi_{c1}(2P)$), un tetraquark ($c\bar{c}q\bar{q}$), o una mezcla.

Para distinguir entre estas hipótesis, la razón de los anchos de desintegración radiativa parcial, $R_{\psi\gamma} \equiv \Gamma(\chi_{c1}(3872) \to \psi(2S)\gamma) / \Gamma(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\gamma)$, sirve como un diagnóstico crítico. Las predicciones teóricas para esta razón varían ampliamente dependiendo de la estructura asumida: los modelos de charmonium puro predicen $R_{\psi\gamma} \gtrsim 1$, mientras que los modelos moleculares puros predicen $R_{\psi\gamma} \ll 1$ (típicamente $< 0.5$), a menos que se realicen suposiciones específicas respecto a las constantes de acoplamiento. Las mediciones experimentales previas han arrojado resultados conflictivos, con BaBar y LHCb reportando valores consistentes con un comportamiento similar al charmonium, mientras que Belle y BESIII reportaron límites superiores o no observaciones consistentes con interpretaciones moleculares.

Metodología
Este estudio utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector LHCb a energías de centro de masa de 7, 8 y 13 TeV, correspondientes a una luminosidad integrada de 9 fb$^{-1}$ (Run 1 y Run 2). El análisis se centra en la cadena de desintegración $B^+ \to \chi_{c1}(3872)K^+$, seguida de las desintegraciones radiativas $\chi_{c1}(3872) \to \psi\gamma$, donde $\psi$ representa ya sea el mesón $J/\psi$ o $\psi(2S)$. Los mesones $\psi$ se reconstruyen a través de sus modos de desintegración dimuón ($\mu^+\mu^-$).

La selección de eventos involucra:

1. Reconstrucción: Identificación de candidatos a muones y kaones, y reconstrucción de fotones a partir de cúmulos del calorímetro electromagnético.
2. Selección Cinemática: Requisitos de momento transversal ($p_T$) para muones y kaones, y energía transversal ($E_T$) para fotones. La masa dimuón se restringe a la masa conocida de $J/\psi$ o $\psi(2S)$.
3. Supresión de Fondo: Un ajuste cinemático restringe al candidato $B^+$ a originarse desde el vértice primario y la masa dimuón a la masa conocida de $\psi$. Los candidatos con masas consistentes con desintegraciones directas $B^+ \to \psi K^+$ son rechazados.
4. Análisis Multivariante: Se entrena un clasificador de Perceptrón Multicapa (MLP) por separado para los canales $J/\psi\gamma$ y $\psi(2S)\gamma$ utilizando muestras de señal simuladas y muestras de fondo basadas en datos o simuladas para suprimir aún más los fondos combinatorios y de física.

Los rendimientos de la señal se determinan mediante ajustes de máxima verosimilitud no agrupados extendidos a las distribuciones de las masas $\psi\gamma$ y $\psi\gamma K^+$. Los modelos de ajuste incluyen componentes de señal parametrizados por funciones Gaussianas modificadas (con colas de ley de potencia o Gaussianas bifurcadas) y varios componentes de fondo (combinatorios, desintegraciones de $B$ parcialmente reconstruidas y combinaciones aleatorias).

Contribuciones Clave y Resultados
La contribución principal de este trabajo es la primera observación de la desintegración $\chi_{c1}(3872) \to \psi(2S)\gamma$. La significancia estadística de la señal se encuentra en 4.8$\sigma$ para el Run 1 y 6.0$\sigma$ para el Run 2.

La razón de las fracciones de ramificación, interpretada como la razón de los anchos de desintegración parcial $R_{\psi\gamma}$, se mide combinando los resultados del Run 1 y Run 2, contabilizando las incertidumbres sistemáticas correlacionadas. El resultado final es:
$$R_{\psi\gamma} = 1.67 \pm 0.21 \text{ (est)} \pm 0.12 \text{ (sist)} \pm 0.04 \text{ (BF)}$$
donde la tercera incertidumbre proviene de las fracciones de ramificación de los mesones $\psi(2S)$ y $J/\psi$ en estados finales de dileptones.

El valor medido de $R_{\psi\gamma} \approx 1.67$ es:

• En buen acuerdo con mediciones previas de BaBar y LHCb (Run 1).
• Consistente con las predicciones teóricas para un estado de charmonium convencional $\chi_{c1}(2P)$, un tetraquark compacto, o un estado molecular mezclado con un componente compacto considerable.
• En tensión con los límites superiores establecidos por la colaboración BESIII ($R_{\psi\gamma} < 0.59$) y las predicciones para un estado molecular de $D^0\bar{D}^{*0}$ puro, que generalmente esperan $R_{\psi\gamma} \ll 1$.

Significancia
El artículo concluye que el gran valor medido de $R_{\psi\gamma}$ hace que la interpretación del $\chi_{c1}(3872)$ como un estado molecular puro de $D^0\bar{D}^{*0} + \bar{D}^0 D^{*0}$ sea cuestionable. En su lugar, el resultado indica fuertemente la presencia de un componente compacto considerable (ya sea charmonium o tetraquark) dentro de la función de onda del estado $\chi_{c1}(3872)$. Esta medición proporciona una restricción decisiva para los modelos teóricos, favoreciendo aquellos que incorporan un núcleo compacto sobre aquellos que dependen únicamente de una estructura molecular débilmente ligada.