Precision measurement of the $B^{0}$ meson lifetime using $B^{0} \rightarrow J/ψK^{*0}$ decays with the ATLAS detector

Utilizando 140 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a 13 TeV recolectados por el detector ATLAS, este artículo presenta la medición más precisa hasta la fecha del tiempo de vida efectivo del mesón $B^0$ y sus parámetros de anchura de decaimiento asociados, todos los cuales son consistentes con las predicciones teóricas y los resultados de otros experimentos.

Lo esencial

Imagina el universo como una gigantesca pista de carreras de alta velocidad donde las partículas zumban alrededor casi a la velocidad de la luz. En este artículo, los científicos del experimento ATLAS en el CERN (la Organización Europea para la Investigación Nuclear) actúan como oficiales de carrera ultra precisos. Su trabajo consistió en cronometrar un tipo muy específico de "coche de carreras" llamado mesón $B^0$ para ver exactamente cuánto tiempo sobrevive antes de estrellarse (desintegrarse) en otras partículas.

Aquí está el desglose de sus hallazgos en términos sencillos:

1. El coche de carreras y la pista

El "coche de carreras" que estudiaron es una partícula llamada mesón $B^0$. Es inestable, lo que significa que no dura mucho. Se desintegra rápidamente en otras partículas, específicamente un $J/\psi$ (que parece un par pesado y de vida corta de muones) y un $K^{*0}$ (que parece un kaón y un pion).

Para atrapar estos coches, los científicos utilizaron el detector ATLAS, que es esencialmente una cámara digital 3D masiva y un cronómetro envuelto alrededor del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Analizaron datos de 2015 a 2018, examinando 140 "años" de datos de colisiones (medidos en una unidad llamada femtobarns inversos). Esa es una cantidad enorme de datos, lo que les dio una imagen muy clara.

2. El desafío del cronómetro

Medir la vida de una partícula tan pequeña es increíblemente difícil. Es como intentar cronometrar una luciérnaga que destella por una fracción de segundo mientras vuela a través de un huracán.

• El Problema: La partícula se mueve tan rápido y se desintegra tan pronto que no puedes simplemente observarla. Tienes que reconstruir su trayectoria hacia atrás desde donde terminó hasta donde comenzó.
• La Solución: El equipo utilizó un método estadístico sofisticado (un "ajuste de máxima verosimilitud"). Imagina que tienes un montón de fotos que muestran dónde terminó el coche y un montón de fotos que muestran dónde empezó. Usaron las matemáticas para determinar el tiempo más probable que tardó de A a B, mientras filtraban todo el "ruido" (otras partículas que no eran el verdadero coche de carreras).

3. El gran resultado: El nuevo récord de tiempo

Después de todos los cálculos, encontraron que la vida efectiva del mesón $B^0$ es de:
1.5053 picosegundos.

Para poner esto en perspectiva:

• Un picosegundo es una billonésima de segundo.
• Si un segundo fuera la edad del universo, un picosegundo sería menos que un parpadeo de un ojo.
• Los científicos midieron esto con una precisión increíble. Su incertidumbre es de solo 0.0035 picosegundos. Esto es como medir la distancia de Nueva York a Londres y fallar por menos del ancho de un cabello humano.

Este es el registro más preciso de la vida de esta partícula jamás registrado.

4. ¿Por qué es esto importante? (La comprobación del "libro de reglas")

En el mundo de la física de partículas, existe un "libro de reglas" teórico llamado Expansión de Quarks Pesados (HQE). Este predice cuánto tiempo deberían vivir estas partículas basándose en las leyes de la fuerza débil (una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza).

• La Comprobación: Los científicos compararon su nuevo y súper preciso cronómetro contra la predicción del libro de reglas.
• El Veredicto: El resultado coincide perfectamente con el libro de reglas. La vida medida y la "anchura de desintegración" calculada (qué tan rápido se desintegra el coche) encajan justo donde la teoría decía que lo harían.

También compararon la vida del mesón $B^0$ con la de su primo, el mesón $B^0_s$. Encontraron que la relación de sus vidas es casi exactamente 1 (específicamente 0.9910). Esto significa que son prácticamente gemelos en cuanto a cuánto tiempo sobreviven, lo que nuevamente coincide con lo que predice la teoría.

5. Cómo lo hicieron (Las herramientas "mágicas")

Para obtener este resultado, tuvieron que superar varios obstáculos:

• El "Ruido": En el detector, hay millones de partículas volando alrededor. El equipo tuvo que distinguir los verdaderos mesones $B^0$ de los "falsos" creados por colisiones aleatorias. Utilizaron la masa de las partículas como una huella digital para separar la señal real del ruido de fondo.
• El "Desenfoque": El detector no es perfecto; tiene un pequeño "desenfoque" (incertidumbre) en cómo mide el tiempo. Utilizaron simulaciones por computadora para entender exactamente qué tan borrosa era su "cámara" y corrigieron matemáticamente ese efecto.
• La "Alineación": El detector está hecho de millones de sensores. Si incluso uno está ligeramente fuera de su lugar, las mediciones serán erróneas. El equipo verificó la alineación de toda la máquina utilizando otras partículas conocidas (como el bosón $Z$) para asegurar que su "regla" estuviera recta.

Resumen

La colaboración ATLAS ha establecido un nuevo estándar de oro para medir cuánto tiempo vive un mesón $B^0$. Encontraron que vive durante 1.5053 picosegundos. Esta medición es tan precisa que confirma que nuestra comprensión actual del "libro de reglas" del universo (el Modelo Estándar) sigue siendo correcta. Es como comparar un reloj muy caro y muy complejo con un reloj atómico y encontrar que coinciden hasta el nanosegundo. No se encontró nueva física (lo cual es, de hecho, una buena noticia para confirmar nuestras teorías actuales), pero la precisión de la medición en sí misma es un logro importante.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Medición de precisión del tiempo de vida del mesón $B^0$ mediante desintegraciones $B^0 \to J/\psi K^{*0}$ con el detector ATLAS

Problema y Motivación
El tiempo de vida de las partículas elementales, o equivalentemente su anchura de desintegración, es una propiedad fundamental esencial para probar el Modelo Estándar, particularmente la interacción débil. En el contexto de los hadrones $b$, las predicciones teóricas para los tiempos de vida absolutos son desafiantes debido a los efectos de la QCD no perturbativa. Sin embargo, el marco de la Expansión de Quark Pesado (HQE) permite cálculos sistemáticos de los ratios de tiempos de vida, donde ciertas incertidumbres teóricas se cancelan. Específicamente, las diferencias en los tiempos de vida de los hadrones $b$ se atribuyen a correcciones por interferencia de Pauli y aniquilación débil, que están potenciadas por factores de espacio de fase que entran al orden de $m_b^{-3}$.

Si bien ya se han reportado mediciones previas del tiempo de vida del mesón $B^0$ por ATLAS, LHCb, CMS y diversos experimentos de $e^+e^-$ (BaBar, Belle, CDF, D0), persiste la necesidad de una mayor precisión para restringir los modelos teóricos y mejorar la determinación de la anchura de desintegración promedio $\Gamma_d$. Este artículo presenta una nueva medición del tiempo de vida efectivo del $B^0$ utilizando el canal de desintegración $B^0 \to J/\psi K^{*0}$, con el objetivo de proporcionar el resultado más preciso hasta la fecha.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector ATLAS en el LHC a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondientes a una luminosidad integrada de 140 fb$^{-1}$ registradas entre 2015 y 2018.

• Reconstrucción de Eventos y Selección:

  • Los candidatos a $B^0$ se reconstruyen mediante la cadena de desintegración $B^0 \to J/\psi K^{*0}$, con $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ y $K^{*0} \to K^+\pi^-$.
  • Se requiere que los muones cumplan con los criterios de identificación "Tight" (estrictos) y formen un vértice común con un $\chi^2$ reducido $< 10$. La masa del $J/\psi$ se constriñe al valor promedio mundial durante el ajuste del vértice.
  • Los candidatos a $K^{*0}$ se forman a partir de trazas que satisfacen requisitos específicos de momento transversal ($p_T$) y pseudorapidez ($|\eta|$), con una ventana de masa invariante de 846–946 MeV.
  • El vértice del candidato a $B^0$ se ajusta con la masa del $J/\psi$ constreñida. Los eventos con múltiples candidatos se resuelven seleccionando aquel con el $\chi^2$/ndof más bajo.
  • El tiempo de desintegración propio $t$ se calcula utilizando la longitud de desintegración transversal $L_{xy}$ y el momento transversal reconstruido $p_T^B$: $t = L_{xy} m_B / p_T^B$. El vértice primario (PV) se selecciona basándose en el impacto tridimensional más pequeño relativo a la dirección de vuelo del $B^0$.

• Análisis Estadístico:

  • Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud no agrupado (unbinned maximum-likelihood fit) bidimensional en las distribuciones de masa invariante ($m$) y tiempo de desintegración propio ($t$).
  • Modelo de Señal: La distribución de masa se modela mediante una distribución Johnson $SU$. El tiempo de desintegración propio sigue una función exponencial convolucionada con una función de resolución (modelada como una suma de tres gaussianas).
  • Modelo de Fondo: Los fondos se categorizan como "prompt" (combinatoria de $J/\psi$ con un $K^{*0}$ aleatorio) y "combinatorio" (desintegraciones reales de hadrones $b$). El fondo de masa prompt se modela mediante un polinomio más una función sigmoide; su distribución de tiempo es una función delta convolucionada con la resolución. El fondo combinatorio utiliza una suma de polinomio/sigmoide similar, mientras que su distribución de tiempo es una suma de tres exponenciales convolucionadas con la resolución.
  • Correcciones de Eficiencia: Las eficiencias de disparo (trigger) y reconstrucción, que sesgan la distribución del tiempo de desintegración (particularmente a valores grandes de $t$), se corrigen utilizando pesos derivados de simulaciones de Monte Carlo (MC). Estos pesos se parametrizan usando una función de error y se aplican al ajuste de verosimilitud.

• Incertidumbres Sistemáticas:

  • Las fuentes incluyen la alineación del detector interno (ID), la elección de la ventana de masa, la selección del vértice primario, el modelado de la eficiencia de tiempo, la selección de candidatos, las variaciones del modelo de ajuste de masa (incluyendo reflexiones cinemáticas de otras desintegraciones de hadrones $b$), las correlaciones masa-tiempo y las elecciones del modelo de resolución.
  • Las incertididades se estiman comparando los ajustes nominales con modelos alternativos o realizando pseudo-experimentos.

Contribuciones Clave y Resultados
El análisis arroja los siguientes resultados primarios:

1. Tiempo de Vida Efectivo del $B^0$:
   El tiempo de vida efectivo medido es:
   $$\tau = 1.5053 \pm 0.0012 \text{ (stat.)} \pm 0.0035 \text{ (syst.) ps}$$
   Este resultado se basa en aproximadamente 2.45 millones de eventos de señal. La incertidumbre sistemática está dominada por las correlaciones masa-tiempo y el modelo de ajuste de masa.

2. Anchura de Desintegración Promedio ($\Gamma_d$):
   Utilizando el tiempo de vida medido y el parámetro de diferencia de anchura normalizado $y = \Delta\Gamma_d / (2\Gamma_d)$ de HFLAV ($y = 0.001 \pm 0.010$), se extrae la anchura de desintegración promedio:
   $$\Gamma_d = 0.6643 \pm 0.0005 \text{ (stat.)} \pm 0.0016 \text{ (syst.) ps}^{-1}$$
   La incertidumbre proveniente del parámetro externo $y$ es insignificante a esta precisión.

3. Ratio de Anchura de Desintegración ($\Gamma_d / \Gamma_s$):
   Combinando el nuevo $\Gamma_d$ con el valor de ATLAS previamente medido para la anchura de desintegración promedio del $B_s^0$ ($\Gamma_s = 0.6703 \pm 0.0014 \text{ (stat.)} \pm 0.0018 \text{ (syst.) ps}^{-1}$), se determina el ratio:
   $$\frac{\Gamma_d}{\Gamma_s} = 0.9910 \pm 0.0022 \text{ (stat.)} \pm 0.0036 \text{ (syst.)}$$

Significancia y Comparación

• Precisión: Esta medición representa la determinación más precisa del tiempo de vida efectivo del $B^0 hasta la fecha. Comparado con la medición anterior de ATLAS a$\sqrt{s}=7$ TeV, la incertidumbre sistemática se redujo por un factor de 4.7. Este progreso se atribuye a la Capa B Insertable (IBL), que proporciona un vertexado y una resolución temporal superiores, una mejor alineación del ID en el Run 2, y un conjunto de datos más grande que permite un mejor modelado de las desintegraciones.
• Consistencia Teórica: El $\Gamma_d$ medido es compatible con la predicción teórica de la HQE de $0.63^{+0.11}_{-0.07}$ ps$^{-1}$ dentro de $0.3\sigma$. El ratio $\Gamma_d/\Gamma_s$ es consistente con las predicciones de la HQE ($1.003 \pm 0.006$) y las predicciones de Lattice QCD ($1.00 \pm 0.02$) dentro de $1.6\sigma$ y $0.4\sigma$, respectivamente.
• Consistencia Experimental: El resultado es generalmente compatible con otras mediciones experimentales, incluyendo las de LHCb, CMS y Belle II. Aunque algunas mediciones de LHCb en canales específicos difieren hasta en $2.3\sigma$, el presente resultado se alinea bien con la medición del canal $B^0 \to J/\psi K_S^0$ de LHCb. El valor difiere del promedio mundial de 2024 ($1.517 \pm 0.004$ ps) por $2.1\sigma$.

El artículo concluye que la medición proporciona una prueba rigurosa del marco de la HQE y de la comprensión de los efectos de la QCD no perturbativa en las desintegraciones de hadrones $b$, confirmando la consistencia de la descripción del Modelo Estándar para los tiempos de vida de los hadrones $b$.