Angular analysis of the decay Λb0→Λ(1520)μ+μ−
Utilizando 9 fb−1 de datos de colisiones protón-protón del detector LHCb, este artículo presenta el primer análisis angular de las desintegraciones Λb0→Λ(1520)μ+μ−, midiendo observables angulares clave que se encuentran en buen acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar.
Autores originales: LHCb collaboration, R. Aaij, M. Abdelfatah, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson, C. Agapopoulou, C. A. Aidala, S. Akar, K. Akiba, H. Al Saleh, P. Albicocco, J. Albrecht, R. Aleksiejunas, F. Alessio, P. Alvarez Cartelle, A. A. Alves Jr, S. Amato, J. L. Amey, Y. Amhis, Z. Amos, L. An, L. Anderlini, P. Andreola, M. Andreotti, S. Andres Estrada, A. Anelli, D. Ao, C. Arata, F. Archilli, Z. Areg, M. Argenton, S. Arguedas Cuendis, L. Arnone, M. Artuso, E. Aslanides, R. Ataíde Da Silva, M. Atzeni, B. Audurier, J. A. Authier, D. Bacher, I. Bachiller Perea, S. Bachmann, M. Bachmayer, J. J. Back, M. Bai, Z. B. Bai, V. Balagura, A. Balboni, W. Baldini, Z. Baldwin, L. Balzani, H. Bao, J. Baptista de Souza Leite, C. Barbero Pretel, I. R. Barbosa, W. Barker, R. J. Barlow, M. Barnyakov, S. Baron, S. Barsuk, W. Barter, J. Bartz, S. Bashir, B. Batsukh, P. B. Battista, A. Bavarchee, A. Bay, A. 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Curras Rivera, R. Currie, C. L. Da Silva, X. Dai, J. Dalseno, C. D'Ambrosio, G. Darze, A. Davidson, O. De Aguiar Francisco, C. De Angelis, F. De Benedetti, J. de Boer, K. De Bruyn, S. De Capua, M. De Cian, U. De Freitas Carneiro Da Graca, F. De Gregorio, E. De Lucia, J. M. De Miranda, L. De Paula, A. De Robertis, E. De Santis, M. De Serio, P. De Simone, F. De Vellis, J. A. de Vries, F. Debernardis, D. Decamp, S. Dekkers, L. Del Buono, B. Demaire-Lepape, J. Deng, O. Deschamps, F. Dettori, B. Dey, P. Di Nezza, S. Ding, Y. Ding, L. Dittmann, J. F. Diverchy, A. D. Docheva, A. Doheny, C. Dong, F. Dordei, J. Dorta Moreno, A. C. dos Reis, J. Dos Santos Oliveira, A. D. Dowling, L. Dreyfus, W. Duan, P. Duda, L. Dufour, V. Duk, P. Durante, M. M. Duras, J. M. Durham, K. Duwe, A. Dziurda, S. Easo, E. Eckstein, U. Egede, S. Eisenhardt, E. Ejopu, L. Eklund, M. Elashri, D. Elizondo Blanco, J. Ellbracht, S. Ely, A. Ene, T. Evans, F. Fabiano, S. Faghih, L. N. Falcao, B. Fang, R. Fantechi, L. 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Wang, C. Wang, C. Wang, G. Wang, H. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, M. Wang, N. W. Wang, X. Wang, X. Wang, X. Wang, X. W. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. H. Wang, Z. Wang, Z. Wang, J. A. Ward, A. Wasili, M. Waterlaat, N. K. Watson, D. Websdale, Y. Wei, Z. Weida, J. Wendel, B. D. C. Westhenry, A. S. White, C. White, M. Whitehead, E. Whiter, A. R. Wiederhold, D. Wiedner, M. A. Wiegertjes, C. Wild, G. Wilkinson, M. K. Wilkinson, M. Williams, M. J. Williams, M. R. J. Williams, R. Williams, S. Williams, Z. Williams, F. F. Wilson, M. Winn, W. Wislicki, M. Witek, L. Witola, T. Wolf, E. Wood, G. Wormser, S. A. Wotton, H. Wu, J. Wu, T. Wu, X. Wu, Y. Wu, Z. Wu, K. Wyllie, S. Xian, Z. Xiang, Y. Xie, T. X. Xing, A. Xu, L. Xu, M. Xu, R. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, S. Yadav, K. Yang, X. Yang, Y. Yang, Y. Yang, Z. Yang, Z. Yang, H. Yeung, H. Yin, X. Yin, C. Y. Yu, J. Yu, K. Yu, X. Yuan, Y Yuan, S. Zalambani, J. A. Zamora Saa, F. Zangari, M. Zavertyaev, M. Zdybal, F. Zenesini, C. 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En lo profundo del mundo subatómico, las partículas conocidas como bariones están construidas a partir de tres quarks, los bloques fundamentales de la materia. Entre estas, el barión Lambda-b es una partícula pesada e inestable que contiene un quark fondo (bottom). En el Modelo Estándar, la teoría predominante de la física de partículas, esta partícula puede decaer, o descomponerse, en partículas más ligeras. Una forma específica en que esto ocurre involucra un cambio de un quark fondo a un quark extraño, un proceso que es raro y está fuertemente suprimido por las leyes de la naturaleza. Debido a que este cambio ocurre de manera tan infrecuente y solo a través de complejos bucles cuánticos, actúa como un microscopio sensible. Si las reglas del Modelo Estándar son incompletas, o si existen fuerzas nuevas y no vistas, estas dejarían una huella distintiva en la forma en que estas partículas se descomponen. Los físicos estudian estas descomposiciones raras para ver si el comportamiento real de la naturaleza coincide con las predicciones precisas de la teoría, o si los datos revelan una grieta en los cimientos que apunte hacia una nueva física.
Investigadores del experimento de belleza del Gran Colisionador de Hadrones, conocido como LHCb, han realizado ahora el primer análisis angular detallado de la desintegración del barión Lambda-b en una resonancia Lambda(1520) y un par de muones. La Lambda(1520) es un estado excitado de vida corta de la partícula Lambda que rápidamente se descompone en un protón y un kaón. Al examinar las direcciones en las que estas partículas resultantes vuelan entre sí, el equipo pudo reconstruir la geometría de la desintegración. Analizaron datos recolectados entre 2011 y 2018, correspondientes a nueve femtobarns de colisiones protón-protón. Este enorme conjunto de datos les permitió aislar miles de estos eventos raros y medir cantidades específicas que describen la forma de la desintegración. El equipo se centró en dos mediciones clave: una asimetría de ida y vuelta (forward-backward asymmetry), que nos dice si los muones prefieren volar en la dirección de la partícula original o en dirección opuesta, y un observable angular promediado por CP, que describe la distribución general de los ángulos de desintegración.
El análisis se llevó a cabo a través de cinco rangos distintos de la masa invariante del par de muones, un valor que actúa como una coordenada en el espectro de energía de la desintegración. Los investigadores tuvieron que ser extremadamente cuidadosos para separar la señal del ruido de fondo. La desintegración que buscaban produce un protón y un kaón con una masa combinada muy cercana a 1520 MeV/c², pero otras partículas pueden imitar esta firma. Para resolver esto, utilizaron un modelo estadístico sofisticado que trataba la señal como una mezcla de la resonancia dominante Lambda(1520) y contribuciones más pequeñas de otras resonancias más ligeras con diferentes propiedades de espín. También tuvieron en cuenta el hecho de que el propio detector no ve todas las direcciones por igual, corrigiendo estos sesgos mediante simulaciones computacionales detalladas. Al ajustar los datos a su modelo, extrajeron los valores de los observables angulares en cada intervalo de energía.
Los resultados mostraron que los valores medidos para la asimetría de ida y vuelta y la distribución angular concuerdan bien con las predicciones del Modelo Estándar. Los datos no revelaron ninguna desviación significativa que sugiriera la presencia de nueva física o fuerzas más allá de la teoría actual. Aunque las mediciones están actualmente limitadas por la estadística, lo que significa que se necesitarían más datos para agudizar la precisión, el hecho de que los resultados se alineen con las expectativas teóricas es una validación significativa de nuestra comprensión de estos procesos raros. Este trabajo establece una nueva línea de base para el estudio de las desintegraciones de bariones, complementando estudios previos de mesones y abriendo la puerta a pruebas futuras más precisas a medida que el experimento LHCb continúa recolectando datos. El estudio confirma que, para este canal de desintegración específico, la naturaleza se comporta consistentemente con las predicciones del Modelo Estándar dentro de las incertidumbres estadísticas actuales.
Resumen Técnico: Análisis Angular del Decaimiento Λb0→Λ(1520)μ+μ−
Problema y Motivación
El artículo aborda el decaimiento de corriente neutra que cambia el sabor (FCNC) Λb0→Λ(1520)μ+μ−, un proceso que involucra una transición de quarks b→s que está suprimida por Cabibbo y por bucles dentro del Modelo Estándar (SM). Mientras que decaimientos mesónicos similares (por ejemplo, B→K(∗)μ+μ−) han mostrado tensiones con las predicciones del SM, los decaimientos bariónicos ofrecen una sonda complementaria. La presencia de un quark espectador adicional en el barión Λb0 permite un tratamiento teórico diferente de la interacción hadrónica, y los espines no nulos del barión Λb0 y de la resonancia Λ(1520) (JP=3/2−) permiten la investigación de estructuras de espín inaccesibles en los decaimientos de mesones. El objetivo principal es realizar el primer análisis angular de este canal de decaimiento específico para medir observables angulares sensibles a la nueva física más allá del Modelo Estándar (BSM).
Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector LHCb entre 2011 y 2018, que corresponden a una luminosidad integrada de 9 fb−1 a energías de centro de masa de 7, 8 y 13 TeV.
- Selección de Eventos: Los candidatos se reconstruyen combinando un Λ(1520) (que decae en pK−) con dos muones de carga opuesta. Los criterios de selección incluyen la calidad del vértice, la significancia de la distancia de vuelo y la identificación de partículas. Se emplea un clasificador de Árbol de Decisión Potenciado (BDT) multivariante para suprimir el fondo combinatorio.
- Regiones Cinemáticas: El análisis se realiza en cinco intervalos del cuadrado de la masa invariante de los dimuones (q2): cuatro bins estrechos [0.1,3.0], [3.0,6.0], [6.0,8.0] y [10.0,12.5] GeV2/c4, y un bin ancho [1.1,6.0] GeV2/c4. Se excluyen las regiones que contienen las resonancias J/ψ y ψ(2S).
- Formalismo Angular: La anchura de decaimiento diferencial se modela utilizando una expresión simplificada derivada en el límite de quarks pesados. El análisis tiene en cuenta la resonancia dominante Λ(1520) (J=3/2) y contribuciones subdominantes de otras resonancias Λ∗ con espín J=1/2 (colectivamente ΛJ=1/2∗, principalmente Λ(1405) y Λ(1600)).
- Estrategia de Ajuste:
- Ajuste de Masa: Un ajuste de máxima verosimilitud extendido y no binario a la masa invariante pK−μ+μ− determina el rendimiento de la señal. La señal se modela con una función Hypatia, y el fondo con una exponencial.
- Ajuste de la Forma de Línea (Lineshape): La distribución de la masa invariante pK− se ajusta para determinar la fracción de la componente Λ(1520) (f3/2) frente al fondo de J=1/2, modelando el Λ(1520) con un Breit-Wigner relativista y la componente de J=1/2 con un polinomio.
- Ajuste Angular: Las distribuciones angulares (cosθℓ, cosθp) se ajustan utilizando una función de densidad de probabilidad (PDF) que incluye los observables angulares promediados por CP para ambos estados de espín y parámetros (i1,i2) para modelar la interferencia de fase fuerte entre resonancias.
- Sistemáticas: Se realizan estudios extensos de incertidumbres sistemáticas, que cubren el modelado de la forma de la masa, la composición del fondo, las correcciones de simulación para la aceptación angular y los sesgos de ajuste derivados de límites físicos.
Contribuciones Clave
- Primer Análisis Angular: Este trabajo presenta el primer análisis angular de los decaimientos Λb0→Λ(1520)μ+μ−.
- Modelo de Ajuste Novedoso: El artículo introduce un modelo de ajuste angular exhaustivo que maneja simultáneamente la señal Λ(1520) de J=3/2 y el fondo Λ∗ de J=1/2, incluyendo términos de interferencia. Este modelo es validado mediante pseudoexperimentos y simulaciones.
- Medición de Nuevos Observables: El análisis determina la asimetría de retroceso hacia adelante leptónica (AFB,3/2ℓ) y el observable angular promediado por CP (S1cc) en múltiples bins de q2.
Resultados
Los valores medidos para AFB,3/2ℓ y S1cc en los cinco intervalos de q2 se presentan en la Tabla 3. Los resultados están dominados estadísticamente, con incertidumbres totales que oscilan aproximadamente entre 0.1 y 0.3 dependiendo del observable y el bin.
- Los valores medidos se encuentran en buen acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar basadas en QCD en la red (Lattice QCD), límites dispersivos y cálculos del Modelo de Quarks.
- Específicamente, los valores de AFB,3/2ℓ son consistentes con cero dentro de las incertidumbres en la mayoría de los bins, y los valores de S1cc se alinean con las expectativas teóricas.
- El análisis confirma que los efectos de interferencia entre el Λ(1520) y otras resonancias Λ∗ no son despreciables y deben incluirse en el modelo de ajuste.
Significancia
El artículo afirma que los resultados proporcionan una primera medición exitosa de los observables angulares en este canal de decaimiento bariónico, validando el marco teórico utilizado para describir la estructura de espín de la interacción. El acuerdo con las predicciones del SM sugiere que no hay desviaciones significativas del Modelo Estándar en este canal específico al nivel de precisión actual. Los autores señalan que la medición está actualmente limitada por la estadística y que futuros análisis con conjuntos de datos más grandes recolectados por LHCb permitirán modelos más complejos y potencialmente una mejor discriminación entre las predicciones teóricas. Este trabajo establece una metodología para analizar decaimientos Λb0→Λ∗μ+μ− que tiene en cuenta las complejidades de las resonancias superpuestas y la interferencia.
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Utilizado por investigadores de Stanford, Cambridge y la Academia Francesa de Ciencias.
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