Search for the decays $B_{(s)}^0\to J/\psi\gamma$ at LHCb

El experimento LHCb ha establecido nuevos límites superiores para las ramas de desintegración de los mesones $B_{(s)}^0$ a $J/\psi\gamma$, mejorando en un factor de 2,5 el límite anterior para el decaimiento $B_{s}^0\to J/\psi\gamma$.

Lo esencial

¡Hola! Imagina que el LHCb (un experimento gigante en el CERN) es como un detective de partículas muy meticuloso. Su trabajo es observar colisiones de protones a velocidades increíbles para encontrar "huellas dactilares" de partículas raras que deberían existir según las leyes de la física, pero que son extremadamente difíciles de atrapar.

Aquí tienes la explicación de este nuevo informe, traducida a un lenguaje sencillo y con algunas analogías divertidas:

🕵️‍♂️ La Misión: Buscar una aguja en un pajar cósmico

El equipo de científicos quería encontrar dos tipos de eventos muy específicos y rarísimos:

1. Que una partícula llamada $B^0_s$ se desintegre en una $J/\psi$ (una especie de "hijo" pesado de partículas) y un fotón (una partícula de luz).
2. Que una partícula llamada $B^0$ haga lo mismo.

La analogía: Imagina que tienes un coche de juguete (la partícula $B$) que, en lugar de chocar contra una pared, explota repentinamente en una pelota de tenis ($J/\psi$) y un rayo de láser (el fotón). Lo raro es que esto sucede tan pocas veces que, de cada millón de coches que chocan, apenas uno hace este truco. Además, hay miles de otros coches que chocan y hacen ruidos similares, pero no exactamente igual.

🔍 ¿Cómo buscaron? (El filtro de la colada)

El LHCb tiene un detector enorme que actúa como una lavadora de partículas.

1. El Truco del "Espejo": Como los fotones (luz) son difíciles de atrapar directamente, los científicos buscan fotones que, al chocar con la materia del detector, se conviertan en un par de electrones (como si el fotón se "desdoblara" en dos gemelos). Esto les permite ver la huella del fotón.
2. El Filtro Inteligente: Usaron un algoritmo de inteligencia artificial (llamado BDT, o "árbol de decisión") que actúa como un portero de discoteca muy estricto. Este portero revisa miles de colisiones y solo deja pasar a las que parecen tener la "firma" correcta: dos muones (otras partículas) y ese par de electrones que viene del fotón.
3. Dos Categorías: Dividieron la búsqueda en dos grupos:
   • Larga distancia: Cuando los electrones viajan mucho antes de ser detectados (como un mensajero que recorre todo el edificio).
   • Corta distancia: Cuando se detectan casi de inmediato (como un mensajero que deja el paquete en la puerta).

📉 El Resultado: "No hemos visto nada... pero eso es bueno"

Después de analizar 9 años de datos (una cantidad masiva de colisiones), los científicos miraron sus resultados con lupa:

• ¿Encontraron el evento raro? No. No vieron ninguna señal clara de que la partícula $B^0_s$ o $B^0$ se estuviera convirtiendo en $J/\psi$ y un fotón.
• ¿Qué significa esto? Significa que el "pajar" (el ruido de fondo de otras colisiones) es tan fuerte que, si la aguja (la partícula rara) existiera, debería haber sido más grande o más brillante para que la vieran.

🚫 El Veredicto: Poniendo un límite de velocidad

Como no encontraron la partícula, en lugar de decir "no existe", dicen: "Si existe, es más rara de lo que pensábamos".

Establecieron un límite de velocidad (un límite superior) para qué tan frecuente puede ser este evento:

• Para la partícula $B^0_s$, dijeron: "No puede ocurrir más de 2.9 veces por cada millón de desintegraciones".
• Para la partícula $B^0$, dijeron: "No puede ocurrir más de 2.5 veces por cada millón".

La analogía: Es como si un cazador dijera: "He revisado todo el bosque y no he visto ningún unicornio. Por lo tanto, si hay unicornios, deben ser tan raros que solo hay uno por cada 100.000 árboles".

🏆 ¿Por qué es importante?

1. Mejor que antes: Esta búsqueda es 2.5 veces más precisa que la anterior que hizo el mismo equipo hace unos años. Han afinado sus "gafas" para ver mejor.
2. Descartando teorías: Hay una teoría de la física (basada en la Cromodinámica Cuántica) que predecía que este evento ocurriría con una frecuencia de 5 veces por millón.
   • El resultado: ¡Nuestra búsqueda ha descartado esa teoría! La frecuencia real es mucho menor que la que predijo esa teoría específica. Es como si un meteorólogo hubiera dicho "mañana lloverá 100 litros" y nosotros hubiéramos medido que solo cayeron 2 litros. ¡Esa predicción estaba mal!
3. Nueva Física: Si en el futuro, con más datos, encuentran este evento, podría ser la prueba de que hay nuevas leyes de la física (más allá del Modelo Estándar) que aún no conocemos, como corrientes ocultas o "carne intrínseca" en las partículas.

🎉 Conclusión sencilla

El equipo del LHCb ha hecho una búsqueda extremadamente detallada y ha demostrado que, si este evento raro ocurre, es aún más raro de lo que algunos científicos pensaban. Han limpiado el "ruido" de fondo mejor que nunca y han puesto un cartel de "Prohibido pasar" a ciertas teorías que predecían que el evento sería más común.

Es un éxito de la ciencia: no encontrar lo que buscas también es un descubrimiento, porque nos dice exactamente qué no es la realidad y nos guía hacia dónde mirar a continuación.

Resumen técnico

Aquí presento un resumen técnico detallado del documento CERN-EP-2026-060 / LHCb-PAPER-2025-065, titulado "Search for the decays $B^0_{(s)} \to J/\psi\gamma$ at LHCb", realizado por la colaboración LHCb.

1. Problema y Contexto Físico

El artículo aborda la búsqueda de los decaimientos radiativos de aniquilación pura $B^0_s \to J/\psi\gamma$ y $B^0 \to J/\psi\gamma$.

• Estado actual: Estos decaimientos aún no han sido observados experimentalmente. En el Modelo Estándar (SM), ocurren mediante el intercambio de un bosón $W$ entre el quark $b$ y un quark de sabor ligero.
• Predicciones Teóricas: Las predicciones del SM para el fracción de rama ($B$) de $B^0_s \to J/\psi\gamma$ oscilan entre $1.5 \times 10^{-7}$ y $5 \times 10^{-6}$, dependiendo del esquema de factorización utilizado. El decaimiento $B^0 \to J/\psi\gamma$ está suprimido por el ángulo de Cabibbo y se espera que sea al menos un orden de magnitud menor.
• Importancia: La observación o el establecimiento de límites más estrictos son cruciales para:
  • Probar los esquemas de factorización teórica.
  • Buscar nueva física (NP), como corrientes quirales derechas o la presencia de "encanto intrínseco" en los mesones $B$, que podrían aumentar significativamente la tasa de decaimiento.
  • Medir la polarización del fotón y la asimetría CP (una vez observado).
• Límites previos: Los límites más estrictos anteriores (LHCb Run 1) eran $7.3 \times 10^{-6}$ para $B^0_s$ y $1.5 \times 10^{-6}$ para $B^0$.

2. Metodología y Análisis de Datos

Datos y Configuración Experimental

• Experimento: LHCb en el CERN.
• Datos: Se utilizaron colisiones protón-protón ($pp$) correspondientes a una luminosidad integrada de 9 fb$^{-1}$:
  • 3 fb$^{-1}$ a energías de centro de masa de 7 y 8 TeV (Run 1).
  • 6 fb$^{-1}$ a 13 TeV (Run 2).
• Reconstrucción: Los candidatos se reconstruyen a través del decaimiento $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ y fotones ($\gamma$) que se convierten en pares electrón-positrón ($e^+e^-$) dentro del detector.

Selección de Eventos

• Disparador (Trigger): Se requieren candidatos de muones de alto $p_T$ o dimuones. En la etapa de software, se reconstruye parcialmente el evento buscando dos muones bien identificados con masa invariante $> 2.7$ GeV, seguido de una reconstrucción completa del vértice de decaimiento separado del vértice primario (PV).
• Selección Offline:
  • Muones con $p_T > 500$ MeV y buen ajuste de trayectoria.
  • Fotones convertidos: Se reconstruyen pares $e^+e^-$ con masa invariante $< 60$ MeV (categoría "long", conversión temprana en el detector de vértice) o $< 100$ MeV (categoría "downstream", conversión tardía).
  • Se aplica un ajuste cinemático (kinematic fit) restringiendo la masa del dimuón a la masa conocida del $J/\psi$ y forzando al hadrón $B$ a originarse en el PV asociado.
• Clasificación: Se utilizan dos clasificadores de Árboles de Decisión Boosted (BDT):
  1. Para rechazar fondo combinatorio.
  2. Para suprimir decaimientos de hadrones $B$ parcialmente reconstruidos (el fondo principal).
  • Los BDT se entrenan por separado para las categorías "long" y "downstream".

Fondo Principal

Los principales fondos físicos provienen de decaimientos parcialmente reconstruidos donde falta un fotón:

• $B^0 \to J/\psi\pi^0$ (donde un $\gamma$ del $\pi^0$ no se detecta).
• $B^0 \to J/\psi\eta$ y $B^0_s \to J/\psi\eta$.
• Otros modos como $B^+ \to J/\psi\rho^+$ y $B^+ \to J/\psi K^{*+}$.

Ajuste de Espectros de Masa

• Se realiza un ajuste de verosimilitud máxima no binned a la distribución de masa invariante $m(J/\psi\gamma)$ en las categorías "long" y "downstream".
• Señal: Modelada con una función Crystal Ball modificada (DSCB), ajustada a simulación y corregida con datos usando el canal de control $B^0 \to K^{*0}\gamma$.
• Fondo:
  • Los fondos parcialmente reconstruidos se modelan con funciones ARGUS (convolucionadas con la resolución) o DSCB (para $B^0 \to J/\psi\pi^0$).
  • El fondo combinatorio se modela con un polinomio de Bernstein de tercer orden.
• Normalización: Las yields de señal y fondos se normalizan respecto a la yield de $B^0 \to J/\psi\pi^0$ en la categoría "downstream", utilizando fracciones de ramificación externas y eficiencias de selección calculadas.

3. Contribuciones Clave

1. Mejora de Resolución: El uso de fotones convertidos permite una mejor resolución de masa en comparación con fotones no convertidos, reduciendo significativamente el fondo de decaimientos parcialmente reconstruidos en la región de señal.
2. Análisis Combinado: Integración de datos de Run 1 y Run 2, optimizando la sensibilidad mediante la separación en categorías de conversión de fotones ("long" y "downstream").
3. Control de Sistemáticas: Uso extensivo de canales de control ($B^0 \to K^{*0}\gamma$) para corregir la simulación en la cinemática de hadrones $B$, la identificación de partículas y la multiplicidad de eventos.
4. Metodología de Límites: Aplicación del método CLs para establecer límites superiores, utilizando pseudoexperimentos para determinar la exclusión observada y esperada.

4. Resultados

• Observación: No se observó ninguna señal significativa en ninguno de los dos canales. Los resultados son consistentes con la hipótesis de solo fondo (significancia $< 2\sigma$).
• Fracciones de Rama Medidas (con incertidumbre estadística y sistemática):
  • $B(B^0_s \to J/\psi\gamma) = (1.34 \pm 0.78 \pm 0.33) \times 10^{-6}$
  • $B(B^0 \to J/\psi\gamma) = (0.61 \pm 0.50 \pm 0.18) \times 10^{-6}$
• Límites Superiores (Nivel de Confianza 90%):
  • $B(B^0_s \to J/\psi\gamma) < 2.9 \times 10^{-6}$
  • $B(B^0 \to J/\psi\gamma) < 2.6 \times 10^{-6}$
  • (A nivel 95% CL: $3.4 \times 10^{-6}$ y $3.5 \times 10^{-6}$ respectivamente).
• Exclusión de Modelos: El límite obtenido excluye la predicción de QCD perturbativa de $5 \times 10^{-6}$ para $B^0_s \to J/\psi\gamma$ con un nivel de confianza del 99.7%.

5. Significancia y Conclusión

• Mejora sobre resultados anteriores: Este resultado supera los límites anteriores del LHCb (Run 1), mejorando el límite para $B^0_s \to J/\psi\gamma$ por un factor de 2.5.
• Impacto en Física:
  • La exclusión de la predicción de QCD perturbativa ($5 \times 10^{-6}$) sugiere que los esquemas de factorización que predicen tasas tan altas no son correctos o requieren correcciones no perturbativas significativas.
  • Los límites actuales se acercan a las predicciones de modelos no perturbativos (ej. $1.4 \times 10^{-6}$ o $7.2 \times 10^{-7}$), lo que significa que con futuros conjuntos de datos más grandes, LHCb podría ser capaz de observar estos decaimientos o restringir aún más los modelos de nueva física.
• Incertidumbre: La incertidumbre dominante es estadística, lo que indica que la sensibilidad futura dependerá principalmente de la acumulación de más datos de luminosidad.

En resumen, este trabajo representa el análisis más preciso hasta la fecha de estos decaimientos radiativos raros, estableciendo límites más estrictos que descartan ciertas predicciones teóricas y preparan el escenario para una posible observación en el futuro.