Amplitude analysis of $B^0 \rightarrow η_c(1S) K^+ π^-$ decays

Utilizando datos de LHCb, este trabajo realiza un análisis de amplitud de los decaimientos $B^0 \rightarrow \eta_c(1S) K^+ \pi^-$ para medir su fracción de ramificación y no encuentra evidencia de la resonancia exótica previamente reportada en el sistema $\eta_c(1S) \pi^-$, ya que los datos se describen adecuadamente mediante resonancias $K^{0*}$ conocidas.

Lo esencial

El Panorama General: Una Historia de Detectives Cósmicos

Imagina el detector LHCb del CERN como una cámara gigante, ultra-rápida, que toma fotografías de miles de millones de colisiones diminutas e invisibles. En este estudio específico, los científicos están observando un evento muy raro: una partícula pesada llamada mesón $B^0$ decayendo (desmoronándose) en tres partículas más pequeñas: un par protón-antiprotón (que proviene de un mesón $\eta_c$), un kaón ($K^+$) y un pion ($\pi^-$).

Piensa en el mesón $B^0$ como una maleta pesada e inestable que estalla instantáneamente. Los científicos quieren saber exactamente cómo estalla. ¿Se desmorona de una sola vez? ¿O pasa por un paso específico de "intermediario"?

El Misterio: ¿Existen Partículas "Exóticas"?

Durante décadas, los físicos han estado cazando partículas "exóticas". Las partículas estándar son como bloques de Lego simples (hechos de dos o tres piezas más pequeñas). Las partículas exóticas son como estructuras complejas de Lego hechas de cuatro o cinco piezas pegadas de maneras extrañas.

En un estudio anterior (usando menos datos), el equipo del LHCb pensó que vieron un fantasma en la máquina: una nueva partícula exótica a la que llamaron $T_{c\bar{c}}(4100)^-$. Vieron un "bulto" en los datos que sugería que esta partícula existía, actuando como un intermediario que se formaba brevemente antes de que las partículas finales volaran separadas.

El Objetivo de este Artículo:
Los científicos regresaron con un conjunto de datos mucho más grande (aproximadamente el doble del tamaño del anterior) para ver si ese "fantasma" era real o solo un truco de la luz. Querían confirmar si esta partícula exótica existe o si los datos pueden explicarse mediante partículas estándar conocidas.

La Investigación: Ordenando las Pistas

Para resolver esto, los científicos utilizaron una técnica llamada Análisis de Amplitud.

La Analogía: La Orquesta
Imagina que la desintegración del mesón $B^0$ es una pieza musical interpretada por una orquesta.

• Las partículas conocidas (llamadas resonancias $K^*$) son los instrumentos estándar (violines, tambores, flautas) que sabemos tocar.
• La partícula exótica sería un instrumento nuevo y extraño, que nunca hemos escuchado antes.

Los científicos grabaron la "música" (los datos) e intentaron averiguar qué instrumentos estaban sonando.

1. El Modelo Base: Primero, intentaron explicar la música usando solo los instrumentos estándar que ya conocían.
2. El Modelo Extendido: Luego, intentaron añadir el "nuevo instrumento extraño" (la exótica $T_{c\bar{c}}(4100)^-$) para ver si hacía que la música sonara mejor.

Los Hallazgos: El Fantasma Desaparece

Esto es lo que descubrieron:

1. Los Instrumentos Conocidos Fueron Suficientes: Cuando usaron solo las partículas estándar conocidas (las resonancias $K^*$), el modelo se ajustó muy bien a los datos. La "música" se explicó perfectamente sin necesidad de un nuevo instrumento.
2. El Candidato Exótico se Desvaneció: Cuando añadieron la partícula exótica al modelo, sí hizo que el ajuste pareciera ligeramente mejor matemáticamente. Sin embargo, cuando tuvieron en cuenta todo el posible "ruido" y errores en su equipo (incertidumbres sistemáticas), la evidencia de esta nueva partícula desapareció.
3. El Veredicto: El "bulto" que vieron en el estudio anterior probablemente fue solo una casualidad estadística o un malentendido del ruido de fondo. Con más datos, el caso para la partícula exótica $T_{c\bar{c}}(4100)^-$ no está confirmado.

La Analogía:
Imagina que escuchas un ruido extraño en tu ático. Piensas que es un fantasma. Llamas a un detective (el primer estudio) y dice: "Sí, eso suena como un fantasma".
Esperas un año, consigues equipo de grabación mejor y grabas el ruido de nuevo (este estudio). Esta vez, el detective escucha atentamente y dice: "En realidad, eso es solo el viento soplando por una ventana suelta. El fantasma no está allí".

El Otro Resultado: Midiendo la "Frecuencia"

Aunque no encontraron al fantasma, sí midieron algo muy importante: ¿Con qué frecuencia ocurre esta desintegración?

Calcularon la fracción de ramificación.

• Analogía: Si tienes una bolsa de 10.000 mesones $B^0$, ¿cuántos de ellos se desintegrarán en este trío específico de partículas?
• El Resultado: Descubrieron que aproximadamente 582 de cada 1 millón de mesones $B^0$ se desintegran de esta manera.
• Informaron este número con alta precisión, proporcionando a los físicos un punto de referencia sólido para futuras teorías.

Resumen

• Qué hicieron: Analizaron una cantidad masiva de datos de colisiones para estudiar cómo se desintegra una partícula específica.
• Qué buscaron: Evidencia de una nueva partícula exótica hecha de cuatro quarks.
• Qué encontraron: Los datos se explican perfectamente mediante partículas estándar conocidas. La evidencia de la partícula exótica vista en un estudio anterior, más pequeño, no está confirmada con este conjunto de datos más grande.
• Qué midieron: Midieron con precisión la probabilidad de que ocurra esta desintegración, proporcionando un nuevo número estándar para la comunidad científica.

En resumen: Los científicos buscaron intensamente un nuevo tipo de partícula, pero el universo les dijo: "No, solo los sospechosos habituales esta vez". También tomaron un censo muy preciso de la frecuencia con la que ocurre este evento.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Análisis de Amplitud de los Decaimientos $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$

Problema y Contexto
El artículo aborda la búsqueda de estados hadrónicos exóticos, específicamente aquellos con composiciones de quarks más allá de los mesones convencionales $q\bar{q}$ y los bariones $qqq$, como los tetraquarks ($qq\bar{q}\bar{q}$). Modelos teóricos previos y observaciones experimentales, incluidas la $T_{cc}(3900)^-$ y varios estados similares al charmonio, sugieren la existencia de tales partículas. Un candidato específico, la $T_{c\bar{c}}(4100)^-$, fue reportada previamente por la colaboración LHCb en un análisis de 2018 del canal de decaimiento $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$. Se hipotetizó que este estado era una resonancia isovector que decae a $\eta_c \pi^-$, potencialmente relacionada con la $T_{cc}(3900)^-$ mediante la simetría de espín de quark pesado. Sin embargo, la evidencia inicial se basó en un conjunto de datos de 4.7 fb$^{-1}$. El estudio actual tiene como objetivo reevaluar la existencia y las propiedades de este candidato exótico utilizando un conjunto de datos significativamente mayor (9 fb$^{-1}$) para determinar si la observación anterior se mantiene bajo un poder estadístico aumentado y un control sistemático mejorado.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recopilados por el detector LHCb a energías en el centro de masa de $\sqrt{s} = 7, 8,$ y $13$ TeV, correspondientes a una luminosidad integrada de 9 fb$^{-1}$. El estudio se centra en la cadena de decaimiento $B^0 \to \eta_c(1S) K^+ \pi^-$, con el $\eta_c(1S)$ reconstruido a través de su decaimiento a un par protón-antiprotón ($\eta_c \to p\bar{p}$). Se eligió este modo de reconstrucción específico para evitar las incertidumbres sistemáticas asociadas con la distinción entre kaones y piones en el estado final, lo cual es necesario al utilizar modos de decaimiento mesónicos del $\eta_c$.

El análisis procede a través de los siguientes pasos:

1. Selección de Candidatos: Los candidatos $B^0$ se reconstruyen en el estado final $p\bar{p}K^+\pi^-$. Un ajuste cinemático restringe la masa y el vértice de origen de la $B^0$. Se emplea un algoritmo de Árbol de Decisión Potenciado (BDT) para suprimir el fondo combinatorio, entrenado por separado para los datos de la Ejecución 1 y la Ejecución 2.
2. Extracción de Rendimiento: Se realiza un ajuste de verosimilitud máxima extendido bidimensional sobre las distribuciones de masa $m_{p\bar{p}K^+\pi^-}$ y $m_{p\bar{p}}$ para extraer los rendimientos de señal tanto para la señal $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$ como para el canal de normalización $B^0 \to J/\psi K^+ \pi^-$. Las señales de $\eta_c$ y $J/\psi$ se aíslan dentro de ventanas de masa específicas.
3. Análisis del Diagrama de Dalitz (DP): La dinámica del decaimiento de tres cuerpos se analiza mediante un ajuste de verosimilitud máxima no binned en el diagrama de Dalitz, definido por las masas invariantes al cuadrado $m^2_{K^+\pi^-}$ y $m^2_{\eta_c\pi^-}$. El análisis tiene en cuenta el ancho natural finito del mesón $\eta_c$ utilizando cuadrivectores en lugar de valores de masa fijos.
4. Modelado de Amplitudes:
   • Modelo Base: Incluye solo resonancias $K^*_0$ conocidas que decaen a $K^+\pi^-$ (específicamente $K^*(892)^0$, $K^*(1410)^0$, $K^*_0(1430)^0$, $K^*_2(1430)^0$, $K^*(1680)^0$ y $K^*_0(1950)^0$) y un componente S-wave no resonante modelado con la función LASS.
   • Modelo Extendido: Añade una amplitud exótica correspondiente al candidato $T_{c\bar{c}}(4100)^-$ que decae a $\eta_c \pi^-$. Este candidato se prueba bajo dos hipótesis de números cuánticos ($J^P = 0^+$ y $J^P = 1^-$).
5. Incertidumbres Sistemáticas: Se realizan estudios extensos para evaluar efectos sistemáticos, incluyendo la parametrización del fondo, el modelado de la eficiencia, los vetos en los límites del diagrama de Dalitz y las variaciones en los parámetros de la forma de línea de las resonancias.

Resultados Clave

• Búsqueda de Resonancia Exótica: Cuando se añade una amplitud exótica $T_{c\bar{c}}(4100)^-$ al modelo base, la calidad del ajuste mejora ligeramente. La significancia estadística de esta contribución se encuentra en 3.6$\sigma$ cuando se ignoran las incertidumbres sistemáticas. Sin embargo, cuando se incluyen las incertidumbres sistemáticas (particularmente las relacionadas con la parametrización del fondo y el modelado de la eficiencia), la significancia desciende a 2.5$\sigma$. En consecuencia, el artículo concluye que la evidencia para el estado $T_{c\bar{c}}(4100)^-$ no se confirma con el conjunto de datos actual. La hipótesis $J^P = 1^-$ se prefiere sobre la $0^+$, pero la discriminación no es estadísticamente significativa una vez que se consideran los sistemáticos.
• Análisis de Amplitud: Los datos están bien descritos por el modelo base que contiene solo resonancias $K^*_0$ conocidas. Las contribuciones dominantes provienen de $B^0 \to \eta_c K^*(892)^0$ (fracción de ajuste $\approx 49\%$) y $B^0 \to \eta_c K^*_0(1430)^0$ (fracción de ajuste $\approx 31\%$). Las fracciones de ajuste, magnitudes y fases para todos los estados intermedios $K^*_0$ se reportan con incertidumbres estadísticas y sistemáticas.
• Medición de la Fracción de Ramificación: La fracción de ramificación inclusiva para $B^0 \to \eta_c(1S) K^+ \pi^-$ se mide con respecto al canal de normalización $B^0 \to J/\psi K^+ \pi^-$. El resultado es:
  $$\mathcal{B}(B^0 \to \eta_c(1S) K^+ \pi^-) = (5.82 \pm 0.20 \text{ (est)} \pm 0.23 \text{ (sist)} \pm 0.55 \text{ (ext)}) \times 10^{-4}$$
  Este valor es consistente con el promedio mundial y la medición anterior de LHCb. También se proporcionan las fracciones de ramificación producto para las resonancias intermedias $K^*_0$.

Significancia
El artículo afirma que este análisis supera al estudio anterior de LHCb (Ref. [20]) al utilizar un conjunto de datos aproximadamente el doble de grande. La principal significancia radica en la reevaluación rigurosa del candidato $T_{c\bar{c}}(4100)^-$. Mientras que el análisis anterior reportó evidencia de este estado exótico, el conjunto de datos actual, más grande, no confirma su existencia cuando se tienen en cuenta adecuadamente las incertidumbres sistemáticas. Los resultados sugieren que las estructuras observadas en el sistema $\eta_c \pi^-$ pueden describirse adecuadamente mediante resonancias $K^*_0$ conocidas y sus interferencias, sin necesidad de una interpretación de tetraquark exótico. Además, el artículo proporciona la medición más precisa hasta la fecha de la fracción de ramificación inclusiva para este modo de decaimiento y una caracterización detallada de las contribuciones de $K^*_0$, sirviendo como referencia para futuras búsquedas de hadrones exóticos en canales de decaimiento similares.