Precision measurement of the $B^{0}$ meson lifetime using $B^{0} \rightarrow J/ψK^{*0}$ decays with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par le détecteur ATLAS, cet article présente la mesure la plus précise à ce jour de la durée de vie effective du méson $B^0$ et de ses paramètres de largeur de désintégration associés, tous étant cohérents avec les prédictions théoriques et les résultats d'autres expériences.

L'essentiel

Imaginez l'univers comme un gigantesque circuit de course à grande vitesse où des particules filent à toute allure, presque à la vitesse de la lumière. Dans cet article, les scientifiques de l'expérience ATLAS au CERN (l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire) agissent comme des officiels de course ultra-précis. Leur tâche consistait à chronométrer un type de « voiture de course » très spécifique appelée le méson $B^0$ pour voir exactement combien de temps il survit avant de s'écraser (se désintégrer) en d'autres particules.

Voici le détail de leurs découvertes en termes simples :

1. La voiture de course et le circuit

La « voiture de course » qu'ils ont étudiée est une particule appelée méson $B^0$. Elle est instable, ce qui signifie qu'elle ne dure pas longtemps. Elle se brise rapidement en d'autres particules, plus précisément un $J/\psi$ (qui ressemble à une paire de muons lourds et à courte durée de vie) et un $K^{*0}$ (qui ressemble à un kaon et un pion).

Pour attraper ces voitures, les scientifiques ont utilisé le détecteur ATLAS, qui est essentiellement un énorme appareil photo numérique 3D et un chronomètre enveloppant le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Ils ont analysé des données de 2015 à 2018, examinant 140 « années » de données de collision (mesurées en une unité appelée femtobarns inversés). C'est une quantité énorme de données, ce qui leur donne une image très claire.

2. Le défi du chronomètre

Mesurer la vie d'une particule aussi petite est incroyablement difficile. C'est comme essayer de chronométrer une luciole qui clignote pendant une fraction de seconde alors qu'elle vole à travers un ouragan.

• Le Problème : La particule se déplace si vite et se désintègre si rapidement que vous ne pouvez pas simplement la regarder. Vous devez reconstruire sa trajectoire à rebours, de l'endroit où elle a fini jusqu'à l'endroit où elle a commencé.
• La Solution : L'équipe a utilisé une méthode statistique sophistiquée (un « ajustement de maximum de vraisemblance »). Imaginez que vous avez une pile de photos montrant où la voiture a fini et une pile de photos montrant où elle a commencé. Ils ont utilisé les mathématiques pour déterminer le temps le plus probable qu'elle a mis pour aller de A à B, tout en filtrant tout le « bruit » (les autres particules qui n'étaient pas la véritable voiture de course).

3. Le grand résultat : Le nouveau record de temps

Après tous les calculs, ils ont trouvé que la durée de vie effective du méson $B^0$ est de :
1,5053 picoseconde.

Pour mettre cela en perspective :

• Une picoseconde est un millilliardième de seconde (un billionième de seconde).
• Si une seconde représentait l'âge de l'univers, une picoseconde serait moins qu'un battement de cils.
• Les scientifiques ont mesuré cela avec une précision incroyable. Leur incertitude n'est que d'environ 0,0035 picoseconde. C'est comme mesurer la distance entre New York et Londres avec une erreur de moins de la largeur d'un cheveu humain.

C'est la mesure la plus précise de la durée de vie de cette particule jamais enregistrée.

4. Pourquoi cela importe-t-il ? (La vérification du « livre de règles »)

Dans le monde de la physique des particules, il existe un « livre de règles » théorique appelé l'Expansion des quarks lourds (HQE). Il prédit combien de temps ces particules devraient vivre en fonction des lois de la force faible (l'une des quatre forces fondamentales de la nature).

• La Vérification : Les scientifiques ont comparé leur nouveau chronomètre ultra-précis à la prédiction du livre de règles.
• Le Verdict : Le résultat correspond parfaitement au livre de règles. La durée de vie mesurée et la « largeur de désintégration » calculée (la vitesse à laquelle la voiture tombe en morceaux) s'insèrent exactement là où la théorie le prédisait.

Ils ont également comparé la vie du méson $B^0$ à celle de son cousin, le méson $B^0_s$. Ils ont trouvé que le rapport de leurs durées de vie est presque exactement de 1 (plus précisément 0,9910). Cela signifie qu'ils sont pratiquement des jumeaux en termes de survie, ce qui correspond à nouveau à ce que prédit la théorie.

5. Comment ils ont fait (Les outils « magiques »)

Pour obtenir ce résultat, ils ont dû surmonter plusieurs obstacles :

• Le « Bruit » : Dans le détecteur, des millions de particules volent autour. L'équipe a dû distinguer les vrais mésons $B^0$ des « faux » créés par des collisions aléatoires. Ils ont utilisé la masse des particules comme une empreinte digitale pour séparer le signal réel du bruit de fond.
• Le « Flou » : Le détecteur n'est pas parfait ; il possède un léger « flou » (incertitude) dans la façon dont il mesure le temps. Ils ont utilisé des simulations informatiques pour comprendre exactement à quel point leur « appareil photo » était flou et ont mathématiquement corrigé cela.
• L'« Alignement » : Le détecteur est composé de millions de capteurs. Si un seul est légèrement déplacé, les mesures sont fausses. L'équipe a vérifié l'alignement de l'ensemble de la machine en utilisant d'autres particules connues (comme le boson $Z$) pour s'assurer que leur « règle » était droite.

Résumé

La collaboration ATLAS a établi une nouvelle norme d'excellence pour mesurer la durée de vie d'un méson $B^0$. Ils ont trouvé qu'il vit pendant 1,5053 picoseconde. Cette mesure est si précise qu'elle confirme que notre compréhension actuelle du « livre de règles » de l'univers (le Modèle Standard) est toujours correcte. C'est comme vérifier une montre très coûteuse et très complexe contre une horloge atomique et constater qu'elles sont d'accord à la nanoseconde près. Aucune nouvelle physique n'a été trouvée (ce qui est en fait une bonne nouvelle pour confirmer nos théories actuelles), mais la précision de la mesure elle-même est un exploit majeur.

Résumé technique

Résumé technique : Mesure de précision de la durée de vie du méson $B^0$ via les désintégrations $B^0 \to J/\psi K^{*0}$ avec le détecteur ATLAS

Problématique et motivation
La durée de vie des particules élémentaires, ou de manière équivalente leur largeur de désintégration, est une propriété fondamentale essentielle pour tester le Modèle Standard, particulièrement l'interaction faible. Dans le contexte des hadrons $b$, les prédictions théoriques pour les durées de vie absolues sont complexes en raison des effets de la QCD non perturbative. Cependant, le cadre de l'Expansion de l'Atome Lourd (HQE - Heavy-Quark Expansion) permet des calculs systématiques des rapports de durées de vie, où certaines incertitudes théoriques s'annulent. Plus précisément, les différences entre les durées de vie des hadrons $b$ sont attribuées aux corrections pour l'interférence de Pauli et l'annihilation faible, qui sont amplifiées par des facteurs d'espace de phase entrant à l'ordre de $m_b^{-3}$.

Bien que des mesures précédentes de la durée de vie du méson $B^0$ aient été rapportées par ATLAS, LHCb, CMS et diverses expériences $e^+e^-$ (BaBar, Belle, CDF, D0), il existe un besoin de précision accrue pour contraindre les modèles théoriques et améliorer la détermination de la largeur de désintégration moyenne $\Gamma_d$. Cet article présente une nouvelle mesure de la durée de vie effective du $B^0$ via le canal de désintégration $B^0 \to J/\psi K^{*0}$, visant à fournir le résultat le plus précis à ce jour.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS au LHC à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 140 fb$^{-1}$ enregistrée entre 2015 et 2018.

• Reconstruction et sélection des événements :

  • Les candidats $B^0$ sont reconstruits via la chaîne de désintégration $B^0 \to J/\psi K^{*0}$, avec $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ et $K^{*0} \to K^+\pi^-$.
  • Les muons doivent satisfaire aux critères d'identification « Tight » et former un vertex commun avec un $\chi^2$ réduit $< 10$. La masse du $J/\psi$ est contrainte à la valeur moyenne mondiale lors de l'ajustement du vertex.
  • Les candidats $K^{*0}$ sont formés à partir de traces satisfaisant des exigences spécifiques de moment transverse ($p_T$) et de pseudorapidité ($|\eta|$), avec une fenêtre de masse invariante de 846–946 MeV.
  • Le vertex du candidat $B^0$ est ajusté avec la masse du $J/\psi$ contrainte. Les événements présentant plusieurs candidats sont résolus en sélectionnant celui ayant le $\chi^2$/ndof le plus bas.
  • Le temps de désintégration propre $t$ est calculé à l'aide de la longueur de désintégration transverse $L_{xy}$ et du moment transverse reconstruit $p_T^B$ : $t = L_{xy} m_B / p_T^B$. Le vertex primaire (PV) est sélectionné sur la base du paramètre d'impact tridimensionnel le plus petit par rapport à la direction de vol du $B^0$.

• Analyse statistique :

  • Un ajustement de maximum de vraisemblance non classé (unbinned) en deux dimensions est effectué sur les distributions de masse invariante ($m$) et de temps de désintégration propre ($t$).
  • Modèle de signal : La distribution de masse est modélisée par une distribution Johnson $SU$. Le temps de désintégration propre suit une fonction exponentielle convoluée avec une fonction de résolution (modélisée comme une somme de trois Gaussiennes).
  • Modèle de fond : Les fonds sont catégorisés comme « prompt » (combinaison d'un $J/\psi$ prompt avec un $K^{*0}$ aléatoire) et « combinatoire » (désintégrations réelles de hadrons $b$). Le fond prompt de masse est modélisé par un polynôme plus une fonction sigmoïde ; sa distribution temporelle est une fonction delta convoluée avec la résolution. Le fond combinatoire de masse utilise une somme polynôme/sigmoïde similaire, tandis que sa distribution temporelle est une somme de trois exponentielles convoluées avec la résolution.
  • Corrections d'efficacité : Les efficacités de déclenchement (trigger) et de reconstruction, qui biaisent la distribution du temps de désintégration (particulièrement à grand $t$), sont corrigées à l'aide de poids dérivés de simulations Monte Carlo (MC). Ces poids sont paramétrés à l'aide d'une fonction erreur et appliqués à l'ajustement de vraisemblance.

• Incertitudes systématiques :

  • Les sources incluent l'alignement du détecteur interne (ID), le choix de la fenêtre de masse, la sélection du vertex primaire, la modélisation de l'efficacité temporelle, la sélection des candidats, les variations du modèle d'ajustement de masse (incluant les réflexions cinématiques d'autres désintégrations de hadrons $b$), les corrélations masse-temps et les choix de modèle de résolution.
  • Les incertitudes sont estimées en comparant les ajustements nominaux avec des modèles alternatifs ou en effectuant des pseudo-expériences.

Contributions clés et résultats
L'analyse produit les résultats primaires suivants :

1. Durée de vie effective du $B^0$ :
   La durée de vie effective mesurée est :
   $$\tau = 1.5053 \pm 0.0012 \text{ (stat.)} \pm 0.0035 \text{ (syst.) ps}$$
   Ce résultat est basé sur environ 2,45 millions d'événements de signal. L'incertitude systématique est dominée par les corrélations masse-temps et le modèle d'ajustement de masse.

2. Largeur de désintégration moyenne ($\Gamma_d$) :
   En utilisant la durée de vie mesurée et le paramètre de différence de largeur normalisé $y = \Delta\Gamma_d / (2\Gamma_d)$ de HFLAV ($y = 0.001 \pm 0.010$), la largeur de désintégration moyenne est extraite :
   $$\Gamma_d = 0.6643 \pm 0.0005 \text{ (stat.)} \pm 0.0016 \text{ (syst.) ps}^{-1}$$
   L'incertitude provenant du paramètre externe $y$ est négligeable à cette précision.

3. Rapport de largeur de désintégration ($\Gamma_d / \Gamma_s$) :
   En combinant la nouvelle $\Gamma_d$ avec la valeur ATLAS précédemment mesurée pour la largeur de désintégration moyenne du $B_s^0$ ($\Gamma_s = 0.6703 \pm 0.0014 \text{ (stat.)} \pm 0.0018 \text{ (syst.) ps}^{-1}$), le rapport est déterminé :
   $$\frac{\Gamma_d}{\Gamma_s} = 0.9910 \pm 0.0022 \text{ (stat.)} \pm 0.0036 \text{ (syst.)}$$

Signification et comparaison

• Précision : Cette mesure représente la détermination la plus précise de la durée de vie effective du $B^0 à ce jour. Comparée à la précédente mesure ATLAS à$\sqrt{s}=7$ TeV, l'incertitude systématique est réduite d'un facteur 4,7. Cette amélioration est attribuée à la couche B insérable (IBL), qui fournit un vertexing et une résolution temporelle supérieurs, un meilleur alignement de l'ID lors du Run 2, ainsi qu'un ensemble de données plus important permettant une meilleure modélisation des désintégrations.
• Cohérence théorique : La $\Gamma_d$ mesurée est compatible avec la prédiction théorique de l'HQE de $0.63^{+0.11}_{-0.07}$ ps$^{-1}$ à $0.3\sigma$. Le rapport $\Gamma_d/\Gamma_s$ est cohérent avec les prédictions de l'HQE ($1.003 \pm 0.006$) et les prédictions de la QCD sur réseau (Lattice QCD) ($1.00 \pm 0.02$) à $1.6\sigma$ et $0.4\sigma$, respectivement.
• Cohérence expérimentale : Le résultat est généralement compatible avec d'autres mesures expérimentales, notamment celles de LHCb, CMS et Belle II. Bien que certaines mesures de LHCb dans des canaux spécifiques diffèrent jusqu'à $2.3\sigma$, le résultat actuel s'aligne bien avec la mesure du canal $B^0 \to J/\psi K_S^0$ de LHCb. La valeur diffère de la moyenne mondiale de 2024 ($1.517 \pm 0.004$ ps) de $2.1\sigma$.

L'article conclut que la mesure constitue un test rigoureux du cadre de l'HQE et de la compréhension des effets de la QCD non perturbative dans les désintégrations de hadrons $b$, confirmant la cohérence de la description du Modèle Standard des durées de vie des hadrons $b$.