Observation of the decay $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J\mskip -3mu/\mskip -2mu\psi \mu^+\mu^-$

Utilizando 9 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón del detector LHCb, este artículo reporta la primera observación de la desintegración $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \mu^+\mu^-$ con una significancia de 6.5$\sigma$ y mide su fracción de ramificación relativa al modo $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \pi^+\pi^-$ en $(1.68\pm 0.32\pm 0.05)\times10^{-3}$.

Lo esencial

La Gran Caza de Partículas: Encontrando un Fantasma en la Máquina

Imagina el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN como el destructor de partículas más potente del mundo. Dispara protones juntos a casi la velocidad de la luz, creando una explosión caótica de escombros subatómicos. La mayor parte de estos escombros es aburrida y predecible, pero a veces, ocultos en el caos, hay partículas raras y exóticas que no encajan en el manual de reglas estándar de la física.

Este artículo informa sobre la exitosa caza por parte del experimento LHCb de un evento tan raro: una desintegración específica de "fantasma" de una partícula llamada $\chi_{c1}(3872)$.

La Partícula Misteriosa: $\chi_{c1}(3872)$

Piensa en el $\chi_{c1}(3872)$ como un invitado misterioso en una fiesta. Sabemos que existe y conocemos su nombre, pero los científicos siguen debatiendo sobre lo que realmente es.

• ¿Es una partícula "carmónica" estándar (un quark pesado y su antiquark tomados de la mano)?
• ¿Es un "tetraquark" (cuatro quarks pegados juntos)?
• ¿Es una "molécula" hecha de dos otras partículas unidas débilmente?

Para resolver este misterio, los científicos necesitan observar cómo se comporta esta partícula cuando se desintegra. Cuantas más formas podamos verla desintegrarse, mejor podremos entender su verdadera naturaleza.

El Nuevo Descubrimiento: Una Rara Desintegración

Durante mucho tiempo, los científicos supieron que el $\chi_{c1}(3872)$ a menudo se desintegra en un $J/\psi$ (una partícula pesada) y dos piones (partículas ligeras). Esto es como si la partícula rompiera un jarrón en una olla pesada y dos pequeñas piedras. Ocurre con frecuencia.

Sin embargo, este artículo anuncia la primera vez que alguien ha visto al $\chi_{c1}(3872)$ desintegrarse en un $J/\psi$ y dos muones (primos pesados de los electrones).

• La Analogía: Imagina que tienes un juguete que usualmente se rompe en un bloque pesado y dos canicas pequeñas. Has visto esto suceder miles de veces. Pero de repente, lo ves romperse en un bloque pesado y dos pesadas bolas de bolos en su lugar. Es el mismo juguete, pero una forma mucho más rara y extraña de romperse.

El equipo analizó datos de 2011 a 2018 (aproximadamente 9 "femtobarns inversos" de datos, que es una forma elegante de decir "una cantidad masiva de registros de colisiones"). Encontraron 60 de estos eventos raros. La certeza estadística de que esto no fue solo ruido aleatorio es de 6.5 sigma. En el mundo de la física de partículas, 5 sigma es el estándar de oro para un "descubrimiento", por lo que 6.5 es un muy confiado "¡Sí, lo vimos!".

Cómo lo Encontraron (El Trabajo de Detective)

Encontrar estos eventos raros es como encontrar una aguja específica en un pajar del tamaño de una ciudad, donde la aguja se ve casi exactamente igual a un trozo de paja.

1. El Filtro (Disparador): El sistema informático actúa como un portero en un club, dejando entrar solo eventos que parecen prometedores (como tener dos muones).
2. El Detective (BDT): El equipo utilizó un "Árbol de Decisión Potenciado" (BDT), que es esencialmente un algoritmo informático superinteligente entrenado para detectar patrones. Se le enseñó a distinguir entre muones reales y piones que fingían ser muones (un truco común en la física de partículas).
   • Analogía: Imagina a un guardia de seguridad que tiene que distinguir entre un diamante real y un trozo de vidrio que parece un diamante. El BDT es el guardia que ha estudiado miles de diamantes y sabe exactamente cómo se refleja la luz en el real.
3. La Comparación: Para medir cuán raro es este evento, lo compararon con la desintegración común de "piedra" ($J/\psi$ + piones). Descubrieron que por cada 1,000 veces que la partícula se rompe en piedras, se rompe en bolas de bolos (muones) aproximadamente 1.7 veces.

Qué Significa Esto

El artículo concluye que esta desintegración rara ocurre con una fracción de ramificación de aproximadamente $1.68 \times 10^{-3}$ en relación con la desintegración común.

• La Verificación de la Predicción: Antes de este experimento, un artículo teórico predijo que esta desintegración ocurriría aproximadamente 4 veces de cada 100,000. La nueva medición es aproximadamente 7 veces de cada 100,000. Aunque no es una coincidencia exacta, el nuevo resultado está lo suficientemente cerca de la predicción como para decir: "Bien, nuestras teorías actuales no están totalmente equivocadas, pero necesitamos mirar más de cerca".

La Conclusión

Este artículo no afirma haber resuelto el misterio de lo que el $\chi_{c1}(3872)$ es todavía. En cambio, ha abierto una nueva puerta. Al demostrar que esta partícula puede desintegrarse en muones, los científicos ahora tienen una nueva herramienta para estudiarla.

Los autores sugieren que con aún más datos en el futuro, podrían ser capaces de ver cómo ocurre la desintegración: si es impulsada por un "fotón virtual" (un destello fugaz de luz) o por la creación de otras partículas como el mesón $\omega$. Esto podría finalmente ayudarles a decidir si el $\chi_{c1}(3872)$ es un tetraquark compacto, una molécula suelta o algo completamente diferente.

En resumen: Encontraron una forma muy rara y extraña en que una partícula misteriosa se desintegra, confirmando su existencia y dando a los físicos una nueva pista para resolver el misterio de 20 años sobre lo que realmente es esta partícula.

Resumen técnico

Resumen técnico: Observación de la desintegración $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$

Problema y motivación
En las últimas dos décadas, la naturaleza del estado $\chi_{c1}(3872)$ (anteriormente $X(3872)$) ha seguido siendo un tema de intenso debate dentro del campo de la espectroscopía de hadrones. Aunque su existencia y sus números cuánticos ($J^{PC} = 1^{++}$) están bien establecidos, su estructura interna es objeto de disputa, con hipótesis que van desde un tetraquark compacto hasta una molécula débilmente ligada $D^{*0}D^0$ o una mezcla de componentes de quarkonio y molecular. Para esclarecer esta naturaleza, se requieren estudios adicionales de sus modos de desintegración.

La desintegración $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$ es de particular interés ya que implica un par de muones. Consideraciones teóricas sugieren que, a bajas masas del par de muones, la desintegración está dominada por un polo de fotón virtual, mientras que a masas más altas se esperan contribuciones de los mesones reales $\rho^0$ y $\omega$. El mesón $\omega$ se acopla más fuertemente al par de muones que el $\rho^0$, lo que podría hacer que la contribución del $\omega$ sea más prevalente en el modo $J/\psi\mu^+\mu^-$ en comparación con el modo análogo $J/\psi\pi^+\pi^-$. Antes de este trabajo, este canal de desintegración había recibido poca atención, con una única estimación teórica que predecía una fracción de ramificación de $(4.2 \pm 1.7) \times 10^{-5}$ basada en contribuciones de desintegración de Dalitz. Además, se señaló la presencia potencial del estado $\chi_{c0}(3915)$ en el espectro de masa invariante del par de muones por encima del umbral del $\omega$ como un factor que requiere consideración en la modelización del fondo.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recopilados por el detector LHCb entre 2011 y 2018, correspondientes a una luminosidad integrada de $9 \text{ fb}^{-1}$ (3 $\text{fb}^{-1}$ a $\sqrt{s} = 7, 8$ TeV y 6 $\text{fb}^{-1}$ a 13 TeV). El estudio se centra en candidatos desplazados de $\chi_{c1}(3872)$ originados a partir de la desintegración de hadrones de belleza de larga vida.

• Selección: El análisis selecciona candidatos de $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ que están desplazados del vértice de interacción primario. Estos se combinan con un par de trazas de carga opuesta identificadas como muones (para la señal) o piones (para el modo de normalización, $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$).
• Supresión de fondo: Para rechazar el fondo de piones mal identificados como muones en el modo de señal, se entrena un clasificador de Árbol de Decisión Potenciado (BDT1) utilizando simulación y se valida con el modo de control $\chi_{c1}(1P) \to J/\psi\mu^+\mu^-$. Se emplea un segundo BDT (BDT2) para reducir el fondo combinatorio de combinaciones aleatorias de $J/\psi$ y muones.
• Modelado de masa: El rendimiento de la señal se extrae mediante un ajuste de máxima verosimilitud no binned extendido a la distribución de masa invariante de $J/\psi\mu^+\mu^-$. La forma de línea de la señal se modela mediante una función de Breit-Wigner convolucionada con una función Crystal Ball de doble lado. El fondo combinatorio se modela mediante un polinomio de primer orden multiplicado por un factor de espacio de fases. El ajuste incluye componentes para la señal de $\chi_{c1}(3872)$, el fondo combinatorio, el fondo de mala identificación de piones y una posible contribución de $\chi_{c0}(3915)$. Los candidatos de mismo signo ($J/\psi\mu^\pm\mu^\pm$) se utilizan para restringir la forma del fondo.
• Eficiencia y normalización: La fracción de ramificación se mide con respecto al abundante modo $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$. Las eficiencias relativas de detección y selección se evalúan utilizando simulación, aplicando correcciones por las diferencias en la identificación de partículas (PID) y el rendimiento del BDT entre los datos y la simulación.

Contribuciones y resultados clave
El artículo reporta la primera observación de la desintegración $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$.

• Significancia: La señal se observa con una significancia estadística de $6.5\sigma$, incluidas las incertidumbres sistemáticas relacionadas con el modelo de masa.
• Rendimientos: El rendimiento ajustado total para la señal es de $60 \pm 11$ eventos a lo largo de la Ejecución 1 y la Ejecución 2. La masa ajustada es de $3872.58 \pm 0.83$ MeV. El rendimiento para el estado $\chi_{c0}(3915)$ se encuentra en $14 \pm 14$, lo que indica que el conjunto de datos actual es insuficiente para sacar conclusiones sólidas sobre su presencia en este canal.
• Relación de fracciones de ramificación: La relación de fracciones de ramificación se mide como:
  $$\frac{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-)}{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-)} = (1.68 \pm 0.32 \pm 0.05) \times 10^{-3}$$
  donde la primera incertidumbre es estadística y sistemática no correlacionada, y la segunda es sistemática correlacionada.
• Fracción de ramificación absoluta: Utilizando la fracción de ramificación conocida para el modo de normalización, la fracción de ramificación absoluta se determina como:
  $$\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-) = (7.2 \pm 2.7) \times 10^{-5}$$
  Este resultado es consistente con la predicción teórica de $(4.2 \pm 1.7) \times 10^{-5}$ encontrada en la Ref. [15], que considera únicamente la contribución de Dalitz.

Significancia del trabajo
Los autores afirman que esta primera observación podría ayudar a esclarecer la naturaleza del estado $\chi_{c1}(3872)$ e identificar vías potenciales para futuras investigaciones. El artículo señala que, con un conjunto de datos más grande, será posible estudiar los factores de forma de la desintegración para desentrañar las contribuciones del fotón virtual y de los mesones $\rho^0$ o $\omega$. Además, un conjunto de datos más grande permitiría una investigación más detallada de la mejora consistente con el estado $\chi_{c0}(3915)$ para determinar qué estados están presentes en esta región de masa. El trabajo se basa en observaciones previas de desintegraciones de Dalitz muónicas similares de los mesones $\chi_c$ y $\chi_b$.