Observation of $CP$ violation in $B^{0}\!\to{J\mskip-3mu/\mskip-2muψ}ρ(770)^0$ decays

Utilizando datos de colisiones protón-protón del LHCb de 2015–2018, este artículo reporta la primera observación de la violación de $CP$ dependiente del tiempo en las desintegraciones $B^{0}\!\to{J/\psi}\rho(770)^{0}$, proporcionando parámetros de violación de $CP$ precisos que, al combinarse con mediciones previas bajo la simetría de sabor SU(3), proporcionan la restricción más estricta hasta la fecha sobre la contribución de los diagramas de pingüino a la fase de violación de $CP$ en las desintegraciones $B^{0}_{s}\!\to{J/\psi}\phi(1020)$.

Lo esencial

Imagina el universo como una gigantesca pista de baile de alta velocidad donde partículas diminutas llamadas mesones B son los bailarines. Normalmente, estos bailarines siguen una coreografía estricta dictada por el "Modelo Estándar", que es como el libro de reglas de la física. Sin embargo, a los físicos les encanta buscar momentos en los que los bailarines rompen las reglas, específicamente una regla llamada violación de CP.

Piensa en la violación de CP como una prueba de espejo. Si observas a un bailarín en un espejo, debería estar haciendo exactamente los movimientos opuestos. Pero a veces, el bailarín real y su imagen especular hacen cosas ligeramente diferentes. Encontrar estas diferencias es crucial porque ayuda a los científicos a entender por qué nuestro universo está hecho de materia (nosotros) en lugar de estar vacío, o por qué no hay una cantidad igual de "antimateria".

El Gran Descubrimiento

Este artículo de la colaboración LHCb en el CERN reporta un gran avance: finalmente han atrapado a un mesón B "rompiendo las reglas" en un movimiento de baile específico llamado $B^0 \to J/\psi \rho(770)^0$.

Aquí tienes el desglose sencillo de lo que hicieron y encontraron:

1. La Configuración: Una Cámara de Alta Velocidad
Los científicos utilizaron el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), una máquina masiva que hace chocar protones entre sí a casi la velocidad de la luz. Actuaron como una cámara de alta velocidad, registrando miles de millones de estas colisiones durante cuatro años (2015–2018). Buscaban un "baile" muy específico donde un mesón B decae en una partícula $J/\psi$ (que es como una pareja pesada y estable) y una partícula $\rho(770)^0$ (que es como un par de piones cortos y energéticos).

2. El Problema: La Interferencia del "Fantasma"
En el pasado, los científicos querían medir un ángulo específico (llamado $\phi_s$) que nos dice cómo estas partículas se mezclan y cambian. Sin embargo, había un "fantasma" en la máquina. En física, hay dos formas en que una partícula puede decaer:

• La Ruta Principal: La forma directa y rápida (como tomar una autopista).
• La Ruta del Pingüino: Un bucle más lento y complicado que involucra partículas virtuales (como tomar un camino secundario sinuoso).

La ruta del "Pingüino" (llamada así porque el diagrama de Feynman se parece un poco a un pingüino) estropea la medición de la ruta principal. Es como intentar medir la velocidad de un coche en una autopista, pero hay un camino lento y sinuoso que se une a ella, lo que hace que el velocímetro salte de un lado a otro. Los científicos necesitaban saber exactamente cuánto estaba estorbando el "camino secundario" en la medición de la "autopista".

3. La Solución: El Grupo de Control
Para solucionar esto, los científicos necesitaban un "grupo de control". Observaron un baile diferente, pero muy similar: $B^0 \to J/\psi \rho(770)^0$.

• Piensa en el baile principal ($B_s$) como un ballet complejo.
• Piensa en este nuevo baile ($B^0$) como una versión más simple del mismo ballet.

Al medir cómo el fantasma del "Pingüino" interfería con el baile más simple, podían calcular matemáticamente cuánto estaba interfiriendo con el ballet complejo. Esto es como medir cuánto afecta el viento a un coche de juguete para predecir cuánto afectará a un coche de carreras real.

4. El Resultado: Una Señal Clara
Utilizando una cantidad masiva de datos (6 veces más que su intento anterior), midieron los "parámetros de violación de CP" para este nuevo baile.

• Encontraron un valor de 0.710 radianes para el desfase (la cantidad de ruptura de reglas).
• Encontraron que la "simetría de espejo" se rompía con alta precisión.

Esta es la primera vez que alguien ve este tipo específico de violación de CP dependiente del tiempo en este tipo de desintegración. Es como finalmente escuchar un susurro en una habitación ruidosa porque finalmente construiste un mejor micrófono.

5. Por Qué Importa
Debido a que midieron este efecto "Pingüino" con tanta precisión en el grupo de control, ahora pueden corregir las mediciones del "ballet" principal ($B_s \to J/\psi \phi$).

• Antes: La medición del baile principal era borrosa debido al fantasma del "Pingüino".
• Ahora: Han restado el efecto del fantasma y han encontrado que el desplazamiento del "Pingüino" es minúsculo: 5.0 ± 4.2 miliradianes.

La Conclusión

Este artículo no inventa una nueva tecnología ni cura una enfermedad. En cambio, es un paso masivo en la física de precisión.

• Demostraron que un tipo específico de desintegración de partículas rompe las reglas de la simetría (violación de CP) por primera vez.
• Utilizaron esta nueva prueba para limpiar los datos de una desintegración de partículas diferente y más importante.
• El resultado es una imagen mucho más nítida y precisa de cómo funciona el universo, confirmando que nuestro "libro de reglas" actual (el Modelo Estándar) se mantiene firme, pero con márgenes de error mucho más estrictos.

En resumen: Encontraron una nueva forma de medir el "ruido" en el universo para que puedan escuchar la "señal" con mucha más claridad.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Observación de la Violación de CP en Desintegraciones $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$

Problema y Motivación
Los estudios de la violación de CP en mesones $B^0$ neutros son fundamentales para probar el Modelo Estándar (SM) y sondear la nueva física. Un observable primario es la fase de violación de CP $\phi_s$ asociada con la mezcla $B^0_s$–$\bar{B}^0_s$. En el SM, $\phi_s$ se predice como $-37.6^{+0.6}_{-0.5}$ mrad. Las mediciones experimentales actuales en el canal "dorado" $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ arrojan un promedio de $\phi_s = -50 \pm 17$ mrad. Sin embargo, la incertidumbre experimental es ahora comparable al desplazamiento teórico, $\Delta\phi_s$, causado por las contribuciones de pingüino (en bucle) omitidas. Estos efectos no perturbativos de larga distancia impiden cálculos teóricos precisos de $\Delta\phi_s$.

Para restringir estos efectos de pingüino, la colaboración LHCb utiliza la simetría de sabor SU(3) para relacionar las contribuciones de pingüino en $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ ($b \to c\bar{c}s$) con las de $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$ ($b \to c\bar{c}d$). Este último canal sirve como un modo de control con sensibilidad mejorada a los parámetros de pingüino hadrónicos. Mediciones previas utilizando datos de Run 1 (2011–2012) arrojaron una restricción de $\Delta\phi_s$ de $0.9 \pm 9.8$ mrad, la cual fue insuficiente para limitar significativamente la contaminación por pingüinos. Este artículo presenta un análisis actualizado utilizando datos de Run 2 para mejorar la precisión y, por primera vez, observar la violación de CP dependiente del tiempo en este modo de desintegración específico.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector LHCb a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV durante 2015–2018, lo que corresponde a una luminosidad integrada de $6$ fb$^{-1}$. El estudio se centra en la cadena de desintegración $B^0 \to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\rho(770)^0(\to \pi^+\pi^-)$.

• Reconstrucción y Selección: Los candidatos se reconstruyen dentro del rango de masa invariante $[5250, 5500]$ MeV/$c^2$. Un clasificador de árbol de decisión potenciado (boosted decision tree) suprime el fondo combinatorio. Los fondos de picos causados por kaones y protones mal identificados se eliminan mediante identificación de partículas, y se vetan las desintegraciones $B^0 \to J/\psi K_S^0$.
• Extracción de Rendimiento: Un ajuste de máxima verosimilitud no parametrizado (unbinned maximum-likelihood fit) a la distribución $m(J/\psi\pi^+\pi^-)$ separa la señal del fondo combinatorio (modelado por un polinomio de quinto orden) y de los fondos parcialmente reconstruidos (por ejemplo, $B^0_s \to J/\psi \eta' \rho^0 \gamma$). El rendimiento de la señal es de aproximadamente 51,000 eventos. Los fondos residuales se restan estadísticamente utilizando eventos de peso negativo.
• Análisis de Amplitud: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud multidimensional ponderado sobre las distribuciones de tiempo de desintegración, la masa invariante de $\pi^+\pi^-$ ($m_{\pi\pi}$) y las variables angulares ($\cos\theta_\pi, \cos\theta_\mu, \chi$). El ajuste se realiza simultáneamente a través de seis submuestras definidas por el periodo de toma de datos y la categoría de disparador (trigger).
• Eficiencia y Etiquetado (Tagging): El análisis tiene en cuenta las eficiencias de detección no uniformes en el tiempo de desintegración y las variables angulares. La eficiencia del tiempo de desintegración se determina utilizando el canal de control $B^0 \to J/\psi K^{*0}$. El etiquetado de sabor se realiza utilizando algoritmos de lado opuesto (opposite-side) y de mismo lado (same-side), con un poder de etiquetado efectivo combinado del 4.5%. Los candidatos no etiquetados (12% de la señal) se excluyen del ajuste de CP.
• Modelado de Resonancias: El espectro de $m_{\pi\pi}$ se modela utilizando seis resonancias: $\rho(770)^0$, $\rho(1450)^0$, $\rho(1700)^0$, $f_0(500)$, $f_2(1270)$ y $\omega(782)$. Al componente $\rho(770)^0$ se le asignan parámetros de violación de CP independientes ($2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}}$ y $|\lambda|$), mientras que las otras resonancias comparten un conjunto común.
• Reducción de Dilución: Para mitigar la dilución de la asimetría de CP causada por la integración en el espacio de fases, se utiliza una variable de tiempo de desintegración transformada $t'$, alineando las fases de oscilación a través de diferentes regiones del diagrama de Dalitz.

Resultados Clave
Los parámetros de violación de CP dependientes del tiempo para el proceso $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$ se miden como:

• $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}} = 0.710 \pm 0.084 \text{ (stat)} \pm 0.028 \text{ (syst)}$ rad
• $|\lambda| = 1.019 \pm 0.034 \text{ (stat)} \pm 0.009 \text{ (syst)}$

La significancia estadística de un valor no nulo para $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}}$ es de aproximadamente 10 desviaciones estándar, estableciendo la primera observación de la violación de CP dependiente del tiempo en desintegraciones de mesones $B$ a estados finales de charmonium mediadas por una transición $b \to c\bar{c}d$. Los resultados no muestran evidencia de efectos dependientes de la polarización, ya que los parámetros medidos por separado para diferentes amplitudes de transversalidad son mutuamente consistentes.

Combinando estos resultados de Run 2 con la medición previa de Run 1 se obtiene:

• $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}} = 0.718 \pm 0.081$ rad
• $|\lambda| = 1.030 \pm 0.031$

Utilizando estos parámetros combinados y asumiendo una simetría de sabor SU(3) aproximada, el desplazamiento de pingüino para la fase de $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ se restringe a:

• $\Delta\phi_s = 5.0 \pm 4.2$ mrad

Un estudio de la ruptura de la simetría de sabor SU(3), escaneando la razón de magnitud de amplitud y la diferencia de fase entre las transiciones $b \to c\bar{c}d$ y $b \to c\bar{c}s$, indica que las incertidumbres de la ruptura de simetría podrían aumentar el error en $\Delta\phi_s$ a un máximo de 6.4 mrad.

Significancia
Este trabajo constituye la primera observación de la violación de CP dependiente del tiempo en desintegraciones $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$. La precisión de la medición es aproximadamente el doble que la del resultado previo de LHCb. Al proporcionar la restricción más estricta hasta la fecha sobre la contribución de pingüino ($\Delta\phi_s$) a la fase de violación de CP de $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$, estos resultados son esenciales para las pruebas de precisión del Modelo Estándar. Los parámetros medidos sirven como entradas críticas para análisis globales que buscan determinar simultáneamente las fases $2\beta$ y $\phi_s$ en presencia de contaminación por pingüinos.