Measurement of $B \to K{}^{*}(892)γ$ decays at Belle II

En utilisant 365 fb⁻¹ de données collectées par l'expérience Belle II, cet article présente des mesures des fractions de branchement et des asymétries de CP pour les désintégrations $B \to K^*(892)\gamma$, donnant des résultats qui sont cohérents avec les valeurs moyennes mondiales et les prédictions théoriques.

L'essentiel

Imaginez l'univers comme une immense piste de course à grande vitesse où de minuscules particules filent à des vitesses proches de celle de la lumière. L'expérience Belle II est comme une équipe de photographes ultra-sensibles, stationnée à un endroit précis sur cette piste (le collisionneur SuperKEKB au Japon), pour prendre des « photos » de ces particules lorsqu'elles entrent en collision les unes avec les autres.

Ce document spécifique traite d'un examen très minutieux d'un événement rare et complexe : la désintégration d'une particule lourde appelée méson B qui se brise pour créer une paire spécifique de particules plus légères (le méson K-star et un photon, qui est une particule de lumière).

Voici une décomposition simple de ce qu'ils ont fait et de ce qu'ils ont trouvé, en utilisant des analogies de la vie quotidienne :

1. L'objectif : Capturer un « fantôme » rare

Dans le monde de la physique des particules, certains événements se produisent tout le temps, tandis que d'autres sont comme chercher un grain de sable spécifique sur une plage. La désintégration d'un méson B en un K-star et un photon est l'un de ces événements rares.

Pourquoi cela les intéresse-t-il ? Parce que le « Modèle Standard » (le livre de règles qui régit le fonctionnement de l'univers) prédit exactement la fréquence à laquelle cela devrait se produire et comment les particules devraient se comporter. Si les chiffres du monde réel ne correspondent pas au livre de règles, cela pourrait signifier qu'il y a des « fantômes » dans la machine — de nouvelles particules ou forces inconnues influençant la collision.

2. La configuration : Un détective en aveugle

L'équipe a collecté des données de 2019 à 2022, ce qui représente environ 387 millions de collisions d'un type spécifique (appelées événements $\Upsilon(4S)$).

Pour éviter de tricher ou de voir accidentellement ce qu'ils voulaient voir, les scientifiques ont travaillé « en aveugle ». Imaginez un détective résolvant un crime qui n'est pas autorisé à regarder les preuves avant d'avoir écrit toute sa théorie et sa méthode. Ils ont finalisé toutes leurs règles pour repérer le signal avant même de regarder les données réelles dans la « scène du crime » (la région du signal).

3. La traque : Filtrer le bruit

Le problème est que les « photos » qu'ils prennent sont extrêmement désordonnées. Pour chaque événement rare qu'ils recherchent, il existe des millions d'événements de « fond » (background) — c'est comme essayer d'entendre un murmure dans un stade rempli de supporters en délire.

• Le bruit : La majeure partie du bruit provient d'autres particules (comme des pions) qui ressemblent accidentellement au photon qu'ils traquent.
• Le filtre : L'équipe a utilisé un tamis numérique sophistiqué (appelé BDT, ou Arbre de décision boosté). Considérez cela comme un videur hautement entraîné à l'entrée d'un club. Il vérifie la forme de l'énergie, le timing et la trajectoire des particules. Si une particule ne ressemble pas exactement au signal rare, le videur l'expulse.
• Le résultat : Ils ont réussi à filtrer environ 70 à 80 % du bruit de fond tout en conservant la majeure partie des signaux rares.

4. La mesure : Peser les preuves

Une fois qu'ils ont obtenu leur liste de candidats filtrée, ils ont dû les compter. Ils ont utilisé une méthode statistique (un « ajustement » ou fit) pour séparer les vrais signaux du bruit de fond restant.

Ils ont mesuré deux choses principales :

1. Fraction de branchement (Branching Fraction) : C'est simplement la « fréquence » de l'événement. Sur un million de mésons B, combien font cette désintégration spécifique ?
2. Asymétrie CP : C'est une mesure du biais « gauche-droite ». La particule se désintègre-t-elle légèrement plus souvent en une version « gauche » d'elle-même qu'en une version « droite » ? Dans le Modèle Standard, ce biais devrait être presque nul.

5. Les résultats : Le livre de règles tient bon

Après avoir analysé les chiffres, l'équipe de Belle II a constaté :

• La fréquence : Ils ont mesuré la fréquence de cet événement avec une grande précision. Les chiffres sont d'environ 4,1 pour 100 000 pour les mésons B neutres et 4,0 pour 100 000 pour les chargés.
• Le biais (Asymétrie CP) : Ils ont trouvé un léger biais négatif pour la version neutre et un biais proche de zéro pour la version chargée. Crucialement, ces chiffres sont cohérents avec zéro dans leur marge d'erreur.
• La comparaison : Ils ont comparé les versions neutres et chargées (Asymétrie d'isospin) et ont trouvé une petite différence, mais encore une fois, cela s'aligne avec ce que prédit le Modèle Standard.

L'essentiel

Le document conclut que le « livre de règles » (le Modèle Standard) tient toujours bon. La désintégration rare qu'ils ont observée se comporte exactement comme prévu.

• Ont-ils trouvé une nouvelle physique ? Non.
• Ont-ils brisé l'univers ? Non.
• Ont-ils fait quelque chose d'important ? Oui. Ils ont prouvé que leur nouvelle caméra de haute technologie (Belle II) fonctionne parfaitement. Ils ont établi une nouvelle base de référence très précise. Désormais, si des expériences futures trouvent un écart par rapport à ces chiffres, les scientifiques sauront avec certitude qu'il s'agit d'un signe de nouvelle physique, et non d'une simple erreur de mesure.

En bref : Ils ont cherché une aiguille dans une botte de foin, ont trouvé l'aiguille, ont mesuré sa taille et sa forme, et ont confirmé qu'elle ressemble exactement à l'aiguille décrite dans le manuel d'instructions. Pour l'instant, l'univers se comporte comme prévu.

Résumé technique

Résumé technique : Mesure des désintégrations $B \to K^*(892)\gamma$ à Belle II

Problème et motivation
Les désintégrations radiatives du méson $B$ en un méson $K^*(892)$ et un photon ($B \to K^*\gamma$) sont supprimées dans le Modèle Standard (MS), procédant principalement via une transition en boucle unique $b \to s\gamma$. Parce que ces processus impliquent des diagrammes en boucle, ils constituent des sondes sensibles pour la physique au-delà du MS (BSM), où de nouvelles particules pourraient contribuer à la boucle interne et altérer les fractions de branchement ou les asymétries. Les observables clés pour tester le MS incluent l'asymétrie de violation de CP ($A_{CP}$) et l'asymétrie d'isospin ($\Delta_{0+}$). Alors que le MS prédit de faibles valeurs pour ces observables (avec $\Delta_{0+}$ estimé entre 3 % et 8 % et $A_{CP} < 1\,\%$), les scénarios BSM, tels que le modèle à deux doublets de Higgs alignés, peuvent prédire des écarts significatifs, incluant des valeurs négatives pour $\Delta_{0+}$. Les mesures précédentes des expériences Belle et BABAR ont rapporté un $\Delta_{0+}$ positif avec une signification d'environ 3,1 écarts-types, tandis que les mesures de $A_{CP}$ restaient cohérentes avec zéro. Cet article présente des mesures actualisées utilisant le jeu de données plus important de l'expérience Belle II afin d'affiner ces contraintes.

Méthodologie
L'analyse utilise une luminosité intégrée de $365 \text{ fb}^{-1}$ collectée par le détecteur Belle II au collisionneur $e^+e^-$ à énergie asymétrique SuperKEKB entre 2019 et 2022. Le jeu de données correspond à $(387 \pm 6) \times 10^6$ événements $\Upsilon(4S)$. L'analyse est réalisée de manière « aveugle » (blind), les critères de sélection et les procédures d'ajustement étant finalisés avant l'examen de la région du signal.

• Reconstruction : L'étude reconstruit les désintégrations $B \to K^*\gamma$ à travers quatre canaux intermédiaires : $K^{*0} \to K^+\pi^-$, $K^{*0} \to K_S^0\pi^0$, $K^{*+} \to K^+\pi^0$, et $K^{*+} \to K_S^0\pi^+$. Les traces chargées sont identifiées à l'aide de vraisemblances issues des détecteurs TOP et ARICH, tandis que les photons sont reconstruits à partir des dépôts d'énergie dans le calorimètre électromagnétique (ECL).
• Suppression du bruit de fond : Des bruits de fond importants proviennent des événements de continuum ($e^+e^- \to q\bar{q}$) et des photons issus des désintégrations de $\pi^0$ et $\eta$. L'analyse emploie un arbre de décision boosté (BDT) pour distinguer les photons de signal de haute énergie des clusters de $K_L^0$ et pour éliminer les photons cohérents avec des origines $\pi^0$ ou $\eta$. Le bruit de fond de continuum est supprimé à l'aide d'un BDT distinct (CSBDT) qui utilise des variables de forme d'événement, telles que les moments de Fox–Wolfram modifiés et les caractéristiques de l'axe de poussée (thrust axis).
• Stratégie d'ajustement (Fit) : Les rendements de signal sont extraits à l'aide d'un ajustement de maximum de vraisemblance étendu en deux dimensions sur les distributions de la masse contrainte par le faisceau ($M_{bc}$) et de la différence d'énergie ($\Delta E$). Le modèle d'ajustement comprend trois composantes : le signal (modélisé par des fonctions Crystal Ball), le bruit de fond de continuum (fonction ARGUS et polynôme), et le bruit de fond $B\bar{B}$ (PDF non paramétrique). L'analyse tient compte de l'auto-rétroaction (« self-crossfeed », événements de signal mal reconstruits) et sépare les candidats $B^0$ et $B^+$ là où l'étiquetage de saveur est possible via la charge des produits de désintégration de $K^*$.

Contributions clés et résultats
L'article rapporte les mesures des fractions de branchement ($\mathcal{B}$), des asymétries de CP ($A_{CP}$), de la différence d'asymétries de CP ($\Delta A_{CP}$), et de l'asymétrie d'isospin ($\Delta_{0+}$). Les résultats sont :

• Fractions de branchement :
  • $\mathcal{B}(B^0 \to K^{*0}\gamma) = (4,14 \pm 0,10 \text{ (stat)} \pm 0,11 \text{ (syst)}) \times 10^{-5}$
  • $\mathcal{B}(B^+ \to K^{*+}\gamma) = (4,04 \pm 0,13 \text{ (stat)} ^{+0,13}_{-0,15} \text{ (syst)}) \times 10^{-5}$
• Asymétries de CP :
  • $A_{CP}(B^0 \to K^{*0}\gamma) = (-3,3 \pm 2,3 \text{ (stat)} \pm 0,4 \text{ (syst)})\%$
  • $A_{CP}(B^+ \to K^{*+}\gamma) = (-0,7 \pm 2,9 \text{ (stat)} \pm 0,5 \text{ (syst)})\%$
• Observables dérivés :
  • Différence d'asymétries de CP : $\Delta A_{CP} = (+2,6 \pm 3,8 \text{ (stat)} \pm 0,6 \text{ (syst)})\%$
  • Asymétrie d'isospin : $\Delta_{0+} = (+4,8 \pm 2,0 \text{ (stat)} \pm 1,8 \text{ (syst)})\%$ (avec une incertitude supplémentaire de $\pm 1,5\,\%$ due au rapport de fraction de branchement de l'$\Upsilon(4S)$).

Les incertitudes systématiques ont été évaluées pour diverses sources, incluant l'efficacité de suivi, l'identification des particules, la sélection des photons, la reconstruction de $K_S^0$ et $\pi^0$, ainsi que les biais d'ajustement. Les incertitudes systématiques totales sont d'environ 2,7 % pour le canal neutre et 3,5 % pour le canal chargé.

Signification
Les auteurs affirment que ces résultats sont cohérents avec les valeurs moyennes mondiales et les prédictions du Modèle Standard. Plus précisément, les valeurs mesurées de $A_{CP}$ sont cohérentes avec zéro, et le $\Delta_{0+}$ mesuré est positif, confirmant la tendance observée dans les mesures précédentes de Belle et BABAR. La précision de ces mesures est comparable aux résultats expérimentaux précédents, fournissant un test robuste du MS dans le secteur radiatif $b \to s\gamma$. L'article ne revendique pas de preuve de nouvelle physique, mais établit plutôt des contraintes actualisées sur les fractions de branchement et les asymétries que toute théorie BSM doit satisfaire.