Measurement of the branching fraction of the $\Lambda_b^0\to J/\psi\Lambda$ decay and isospin asymmetry of $B\to J/\psi K$ decays

Este artículo presenta la medición del factor de ramificación de la desintegración $\Lambda_b^0\to J/\psi\Lambda$ y la asimetría de isospín en las desintegraciones $B\to J/\psi K$ utilizando datos del experimento LHCb correspondientes a una luminosidad integrada de 5.4 $\text{fb}^{-1}$ recopilada entre 2016 y 2018.

Lo esencial

¡Hola! Imagina que el universo es un gigantesco parque de atracciones llamado CERN, donde la atracción principal es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). En este parque, los científicos hacen chocar protones a velocidades increíbles para crear "monstruos" subatómicos que normalmente no existen en la naturaleza.

Este documento es un informe de los detectives del experimento LHCb (uno de los equipos que vigila estas colisiones). Su misión fue resolver dos misterios importantes sobre cómo se desintegran estas partículas raras.

Aquí te explico qué hicieron, usando analogías sencillas:

1. El Misterio de la "Ficha de Oro" (La Medición de Probabilidad)

Imagina que en el parque de atracciones, cuando chocan los protones, a veces nace una partícula llamada $\Lambda^0_b$ (un barión con un quark "b"). Esta partícula es como un cineasta que tiene una película favorita: quiere convertirse en una partícula llamada $J/\psi$ y otra llamada $\Lambda$.

• El problema: Sabemos que esta película se estrena, pero no sabemos con qué frecuencia. ¿Es un éxito de taquilla o un fracaso?
• La solución: En lugar de intentar contar cuántas veces sale la película $\Lambda^0_b$ (que es difícil porque no sabemos cuántas veces se estrenó el cineasta), los científicos usaron un punto de referencia.
  • Imagina que tienen otra película muy famosa y exitosa llamada $B^0 \to J/\psi K^0_S$. Sabemos exactamente cuántas veces se proyecta esta película famosa porque otros laboratorios ya la contaron.
  • La analogía: Es como si quisieras saber cuántas personas van a un concierto nuevo, pero no tienes el contador de entradas. Entonces, comparas a los asistentes del concierto nuevo con los de un concierto famoso que sabes que tuvo 1000 asistentes. Si ves que por cada 1000 del concierto famoso, hay 750 del nuevo, ¡ya tienes tu respuesta!

El resultado: Descubrieron que la partícula $\Lambda^0_b$ se convierte en $J/\psi$ y $\Lambda$ aproximadamente 3 veces de cada 10.000. Es un dato muy preciso que ayuda a entender las reglas de la física cuántica.

2. El Juego de los Gemelos (La Asimetría de Isospín)

Ahora, imagina que tienes dos gemelos idénticos:

• Gemelo A ($B^+$): Lleva un sombrero rojo (carga positiva).
• Gemelo B ($B^0$): Lleva un sombrero azul (carga neutra).

Según las reglas del universo (el Modelo Estándar), estos gemelos deberían comportarse exactamente igual. Si el Gemelo A se desintegra en una forma específica, el Gemelo B debería hacerlo con la misma frecuencia. A esto los físicos le llaman simetría de isospín.

• La prueba: Los científicos observaron miles de desintegraciones de ambos gemelos.
• El hallazgo: ¡Son casi idénticos! La diferencia que encontraron fue tan pequeña que podría ser simplemente "ruido" o un error de medición. Es como si en una carrera de 100 metros, el gemelo rojo llegara 0.01 segundos antes que el azul, pero al medirlo con lupa, te das cuenta de que es estadísticamente lo mismo.

El resultado: Confirmaron que el universo es justo con estos gemelos. No hay "favoritismo" en cómo se desintegran.

¿Por qué es importante esto?

Piensa en la física como un rompecabezas gigante. Cada vez que medimos algo con tanta precisión, colocamos una pieza más en su lugar.

1. Validar las reglas: Si las medidas hubieran sido muy diferentes a lo esperado, habría significado que nuestras reglas de la física están rotas y necesitaríamos inventar una nueva teoría. Como los resultados coinciden con lo esperado, ¡las reglas siguen funcionando!
2. Entender la materia: Saber exactamente cómo se comportan estas partículas ayuda a entender por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria.

En resumen

Los científicos del LHCb tomaron 5.4 billones de colisiones (una cantidad de datos inmensa, como leer todos los libros de una biblioteca gigante en un segundo) y lograron:

1. Contar con precisión cuántas veces una partícula rara se transforma en otras dos.
2. Confirmar que dos partículas "gemelas" se comportan de manera casi idéntica.

Es un trabajo de detective de altísima precisión que nos dice que, por ahora, el universo sigue las reglas que creemos que tiene. ¡Y eso es una gran noticia para la ciencia!

Resumen técnico

Resumen Técnico: Medición de la fracción de ramificación de $\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda$ y asimetría de isospín en desintegraciones $B \to J/\psi K$

Fuente: CERN-EP-2025-183 / LHCb-PAPER-2025-035 (Publicado en JHEP 01 (2026) 159).
Colaboración: LHCb (CERN).
Datos: Colisiones protón-protón ($\sqrt{s} = 13$ TeV) de 2016 a 2018 (Luminosidad integrada: $5.4 \text{ fb}^{-1}$).

1. El Problema y el Contexto

Las desintegraciones de hadrones $b$ que producen mesones $J/\psi$ son fundamentales para la calibración y normalización en experimentos de física de altas energías. Mientras que las fracciones de ramificación de los mesones $B$ (como $B^0 \to J/\psi K_S^0$ y $B^+ \to J/\psi K^+$) se conocen con gran precisión gracias a los experimentos de fábricas de $B$ (BaBar, Belle, CLEO), las desintegraciones de bariones $b$ (como el $\Lambda_b^0$) a estados finales con $J/\psi$ tienen una incertidumbre mucho mayor.

El desafío principal radica en que la producción de bariones $\Lambda_b^0$ en colisiones $pp$ depende fuertemente del momento transversal ($p_T$) y de la fracción de hadronización ($f(b \to \Lambda_b^0)$). Las mediciones anteriores en el Tevatron dependían de suposiciones sobre esta fracción de hadronización, lo que introducía grandes incertidumbres sistemáticas en la determinación de la fracción de ramificación absoluta $\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda)$.

Además, existe interés en validar el Modelo Estándar midiendo la asimetría de isospín ($A_I$) entre las tasas de desintegración de $B^+$ y $B^0$ a $J/\psi K$. En el Modelo Estándar, esta asimetría debería ser cero, ya que la única diferencia es el sabor del quark espectador ligero.

2. Metodología

El análisis se basa en datos recolectados por el detector LHCb, utilizando una estrategia de normalización relativa para minimizar incertidumbres sistemáticas.

• Canales de Estudio:

  • Principal: $\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda$, donde $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ y $\Lambda \to p\pi^-$.
  • Canal de Normalización: $B^0 \to J/\psi K_S^0$, donde $K_S^0 \to \pi^+\pi^-$.
  • Canal de Validación: $B^+ \to J/\psi K^+$.

• Selección de Candidatos:

  • Se aplicaron criterios de disparo (trigger) basados en muones de alto $p_T$ y parámetros de impacto (IP).
  • En la selección offline, se formaron candidatos combinando pares de muones (para $J/\psi$) con un barión $\Lambda$ o un mesón $K_S^0$ o $K^+$.
  • Se distinguieron dos categorías de trazas para $K_S^0$ y $\Lambda$: largas (reconstruidas en el detector de vértice) y aguas abajo (downstream, sin trazas en el detector de vértice), para cubrir diferentes regiones de aceptación.
  • Se utilizaron clasificadores de árboles de decisión impulsados por gradiente (BDT) para suprimir el fondo combinatorio en los conjuntos de datos de trazas largas.

• Determinación de Rendimientos:

  • Se realizaron ajustes de verosimilitud máxima no binned extendidos a las distribuciones de masa invariante ($J/\psi K^+$, $J/\psi K_S^0$, $J/\psi \Lambda$) en bins de $p_T$ del hadrón $b$ (rango $[4, 20]$ GeV/$c$).
  • Los ajustes se realizaron simultáneamente para los canales $\Lambda_b^0$ y $B^0$ para tener en cuenta el fondo cruzado (ej. $B^0$ reconstruido como $\Lambda_b^0$ y viceversa).
  • Se corrigieron las eficiencias de reconstrucción utilizando muestras simuladas (Pythia/EvtGen/Geant4), aplicando correcciones cinemáticas basadas en datos reales de $B^+ \to J/\psi K^+$.

• Cálculo de la Fracción de Ramificación:
  La relación de rendimientos se expresa como:
  $$\frac{N[\Lambda_b^0]}{N[B^0]} = \frac{f(b \to \Lambda_b^0)}{f(b \to B^0)} \frac{\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda)}{\mathcal{B}(B^0 \to J/\psi K_S^0)} \frac{\mathcal{B}(\Lambda \to p\pi^-)}{\mathcal{B}(K_S^0 \to \pi^+\pi^-)} \frac{\epsilon[\Lambda_b^0]}{\epsilon[B^0]}$$
  Donde $f$ son las fracciones de hadronización y $\epsilon$ las eficiencias. La dependencia en $p_T$ de $f(b \to \Lambda_b^0)$ se modeló utilizando funciones paramétricas derivadas de mediciones previas de LHCb.

3. Contribuciones Clave

1. Medición de Alta Precisión: Se ha determinado la fracción de ramificación de $\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda$ con una precisión sin precedentes, superando las limitaciones de estudios anteriores en el Tevatron al utilizar datos de LHCb y correcciones cinemáticas específicas.
2. Validación de la Asimetría de Isospín: Se ha medido la asimetría de isospín en desintegraciones $B \to J/\psi K$ con una precisión estadística extremadamente alta, confirmando la simetría esperada en el Modelo Estándar.
3. Tratamiento de la Hadronización: El análisis aborda explícitamente la dependencia del momento transversal ($p_T$) en la fracción de hadronización $f(b \to \Lambda_b^0)/f(b \to B^0)$, reduciendo la incertidumbre sistemática asociada a este parámetro.
4. Análisis de Categorías de Trazas: La separación y combinación de muestras de trazas "largas" y "aguas abajo" permite una optimización de la eficiencia y una validación robusta de los efectos de interacción con el material del detector.

4. Resultados Principales

• Relación de Fracciones de Ramificación:
  Se obtuvo la siguiente relación:
  $$\frac{\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda)}{\mathcal{B}(B^0 \to J/\psi K_S^0)} = 0.750 \pm 0.005 \text{ (est.)} \pm 0.022 \text{ (sist.)} \pm 0.005 \text{ (ext.)} \pm 0.062 \text{ (had.)}$$
  Donde la última incertidumbre proviene de la relación de fracciones de hadronización.

• Fracción de Ramificación Absoluta:
  Utilizando el valor mundial promedio de $\mathcal{B}(B^0 \to J/\psi K_S^0) = (4.45 \pm 0.11) \times 10^{-4}$, se determinó:
  $$\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda) = (3.34 \pm 0.02 \pm 0.10 \pm 0.08 \pm 0.28) \times 10^{-4}$$
  (Incertidumbres: estadística, sistemática, entrada externa y hadronización, respectivamente).

• Asimetría de Isospín ($A_I$):
  La asimetría entre las tasas de $B^0 \to J/\psi K_S^0$ y $B^+ \to J/\psi K^+$ se midió como:
  $$A_I = -0.0135 \pm 0.0004 \text{ (est.)} \pm 0.0133 \text{ (sist.)}$$
  Este resultado es consistente con cero, validando la predicción del Modelo Estándar.

• Relación de Secciones Eficaces de Producción:
  Asumiendo simetría de isospín en las desintegraciones, se determinó la relación de producción de mesones $B^+$ y $B^0$:
  $$f(b \to B^+)/f(b \to B^0) = 1.027 \pm 0.001 \text{ (est.)} \pm 0.027 \text{ (sist.)}$$

5. Significado e Impacto

• Validación de QCD: El valor medido de la fracción de ramificación de $\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda$ es compatible con estimaciones basadas en QCD perturbativa y enfoques de factorización de QCD, proporcionando una prueba importante de la dinámica de la interacción fuerte en desintegraciones de bariones pesados.
• Ancho Parcial: Al considerar la vida media y la probabilidad de mezcla de $K^0$, se concluye que el ancho parcial de la desintegración $\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda$ es aproximadamente el 39% del ancho parcial de $B^0 \to J/\psi K^0$.
• Herramienta para Futuros Análisis: La medición precisa de esta fracción de ramificación y la validación de la simetría de isospín establecen bases sólidas para futuras búsquedas de nueva física en desintegraciones raras o prohibidas de bariones $b$, donde estos canales servirá como referencia de normalización crítica.
• Precisión Sistemática: El trabajo demuestra la capacidad de LHCb para controlar sistemáticamente las incertidumbres relacionadas con la hadronización y la interacción con el material, un avance crucial para la física de precisión en el LHC.