First evidence for mixing-induced $CP$ violation in B$^0_\mathrm{s}$ $\to$ J/$\psi\,\phi$(1020) decays in pp collisions at $\sqrt{s} =$ 13 TeV

En utilisant un algorithme d'étiquetage de saveur novateur basé sur l'apprentissage automatique sur des données du CMS provenant de collisions proton-proton à 13 TeV, les chercheurs ont obtenu la première preuve de violation de CP induite par le mélange dans les désintégrations B$^0_\mathrm{s}$ $\to$ J/$\psi\,\phi$ en mesurant une phase faible $\phi_\mathrm{s}$ qui s'écarte de zéro de 3,2 écarts types.

L'essentiel

La Grande Image : Attraper un fantôme dans la machine

Imaginez que vous regardez un spectacle de magie. Un magicien (la nature) prend une particule appelée méson $B^0_s$ et la transforme en un ensemble spécifique d'autres particules : un $J/\psi$ et un $\phi$.

Dans le monde de la physique des particules, il existe une règle fondamentale appelée symétrie CP. Pensez-y comme à un miroir parfait. Si vous prenez une particule, la retournez dans un miroir (en la transformant en sa version « antiparticule ») et faites défiler le film à l'envers, les lois de la physique devraient sembler exactement les mêmes. L'univers devrait traiter la particule et son jumeau miroir avec une équité totale.

Cependant, le Modèle Standard (notre meilleur livret de règles actuel sur le fonctionnement de l'univers) prédit que parfois, l'univers est un peu injuste. Il traite la particule et son jumeau légèrement différemment. Cette injustice est appelée violation de CP.

Cet article porte sur l'expérience CMS au CERN (le Grand collisionneur de hadrons) qui a surpris l'univers en train de « tricher » sur cette règle. Ils ont trouvé la première preuve solide que le méson $B^0_s$ et son jumeau ne font pas que rester immobiles ; ils se mélangent, échangent leurs identités et se désintègrent à des rythmes légèrement différents, prouvant que la nature a une légère préférence pour l'un plutôt que pour l'autre.

La Distribution des Personnages

1. Le méson $B^0_s$ : Le principal acteur. C'est une particule lourde et instable qui ne dure pas longtemps.
2. Le « Mélange » (L'échange d'identité) : Avant de mourir, le méson $B^0_s$ a l'habitude de se transformer en sa propre antiparticule, puis de revenir en arrière. C'est comme un caméléon qui change continuellement de couleur de peau rapidement avant de se calmer enfin et de disparaître.
3. La « Phase faible » ($\phi_s$) : C'est le personnage principal de l'article. Pensez-y comme à l'angle de la triche. Si l'univers était parfaitement équitable, cet angle serait nul. S'il est injuste, l'angle est non nul. L'article mesure cet angle pour voir exactement à quel point la nature est injuste.
4. Les « Marqueurs de saveur » (Les détectives) : Pour savoir si l'univers triche, vous devez savoir ce qu'était la particule avant qu'elle ne commence à se mélanger. Est-elle partie comme une « particule » ou comme une « antiparticule » ?
   • L'article présente une nouvelle équipe de détectives super-intelligents (un algorithme d'apprentissage automatique).
   • Ces détectives examinent les débris laissés par la collision. Certains regardent les particules volant dans la direction opposée (Côté Opposé), tandis que d'autres regardent les particules volant aux côtés du principal acteur (Même Côté).
   • En combinant ces indices, l'équipe peut deviner l'identité originale de la particule avec une précision bien supérieure à celle d'avant.

L'Expérience : Une séance photo à grande vitesse

Les scientifiques ont utilisé le détecteur CMS, un appareil photo géant au CERN, pour prendre des photos de collisions de protons.

• Les Données : Ils ont examiné 96,5 « femtobarns inversés » de données (une manière élégante de dire une quantité massive de données de collision collectées en 2017 et 2018).
• La Cible : Ils ont spécifiquement chassé les mésons $B^0_s$ qui se désintègrent en un $J/\psi$ (qui se transforme en deux muons) et un $\phi$ (qui se transforme en deux kaons). C'est comme chercher une combinaison spécifique et rare de briques Lego qui n'apparaît que lorsqu'un jouet spécifique se brise.
• Le Résultat : Ils ont trouvé environ 27 500 de ces événements spécifiques et « marqués ». C'est un nombre énorme pour ce type de mesure rare, leur offrant une image très claire.

La Découverte : Le « Clignement d'œil » à 3,2 écarts-types

Après avoir analysé les angles et le timing de la désintégration de ces particules, les scientifiques ont mesuré la « Phase faible » ($\phi_s$).

• La Prédiction : Le Modèle Standard prédisait un angle très petit et spécifique (environ -37 milliradians).
• La Mesure : L'équipe CMS a mesuré l'angle à -75 milliradians.
• La Signification : La différence entre zéro (équité parfaite) et leur mesure est de 3,2 écarts-types.

Que signifie « 3,2 écarts-types » ?
Imaginez que vous lancez une pièce de monnaie 1 000 fois. Si c'est une pièce équitable, vous vous attendez à 500 faces. Si vous obtenez 550 faces, c'est suspect. Si vous obtenez 600, c'est très suspect.
En physique, un « écart-type » est une mesure de la surprise que nous devrions ressentir.

• 1 sigma : « Peut-être juste de la chance. »
• 3 sigma : « C'est un indice fort. Nous devrions prêter attention. » (C'est ce que l'article revendique : Première Preuve).
• 5 sigma : « C'est une découverte. Nous sommes sûrs à 99,9999 %. »

L'article indique qu'ils ont atteint le niveau de 3 sigma. Ils n'ont pas encore « découvert » une nouvelle physique (ce qui nécessite 5 sigma), mais ils ont trouvé la première preuve forte qu'une violation de CP induite par le mélange existe dans cette désintégration spécifique. C'est l'univers qui fait un « clignement d'œil » clair indiquant qu'il n'est pas parfaitement symétrique.

Le Verdict

L'article conclut que :

1. La Triche est Réelle : Le méson $B^0_s$ se mélange et se désintègre effectivement d'une manière qui viole la symétrie CP.
2. Les Chiffres Correspondent : La quantité d'« injustice » qu'ils ont mesurée (-75 mrad) est cohérente avec ce que prédit le Modèle Standard lorsque l'on combine cela avec les données précédentes des collisions à 8 TeV.
3. Pas de Nouvelle Physique (Pour l'instant) : Parce que leur résultat correspond à la prédiction du Modèle Standard, ils n'ont pas encore trouvé de « nouvelle particule » ou de « nouvelle force ». Ils ont simplement confirmé que le livret de règles existant est correct dans ce domaine spécifique et difficile à mesurer.

Analogie de Résumé

Imaginez une course entre deux coureurs, Particule et Antiparticule.

• Ancienne Théorie : Ils courent à exactement la même vitesse.
• La Découverte de l'Article : Les scientifiques ont utilisé un nouvel appareil photo haute technologie (le marqueur par apprentissage automatique) pour les observer. Ils ont vu que Particule court légèrement plus vite que Antiparticule dans cette course spécifique.
• La Conclusion : Ils sont sûrs à 99,9 % que la différence de vitesse est réelle (3,2 sigma). Cependant, la différence de vitesse est exactement ce que le livret de règles (Modèle Standard) disait qu'elle serait. Donc, bien qu'ils aient prouvé que les coureurs sont différents, ils n'ont pas encore trouvé de raccourci secret ou de nouvelle piste (Nouvelle Physique). Ils ont simplement confirmé que la carte était correcte tout au long du parcours.

Résumé technique

Résumé technique : Première preuve de violation de CP induite par le mélange dans les désintégrations $B^0_s \to J/\psi \phi(1020)$

Problème et motivation
Les désintégrations des mésons $B^0_s$ constituent une sonde cruciale pour tester les prédictions du Modèle Standard (MS) concernant la violation de CP (VCP) dans le secteur des quarks et rechercher une nouvelle physique. Dans le MS, la phase faible $\phi_s$, qui résulte de la VCP dans l'interférence entre les désintégrations avec et sans mélange de $B^0_s$, est prédite être approximativement de $-37 \pm 1$ mrad. Cette prédiction précise fait de $\phi_s$ une observable sensible pour détecter les contributions de nouvelles particules au processus de mélange de $B^0_s$. Bien que des expériences précédentes aient mesuré $\phi_s$ via des transitions $b \to c\bar{c}s$, aucune déviation évidente par rapport aux prédictions basées sur le MS n'avait été établie. Cette étude vise à affiner la mesure de $\phi_s$ et d'autres paramètres du système $B^0_s$–$\bar{B}^0_s$ en utilisant un ensemble de données significativement plus important et des techniques d'analyse améliorées.

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton collectées par l'expérience CMS à une énergie dans le centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV au cours de 2017–2018, correspondant à une luminosité intégrée de 96,5 fb$^{-1}$. L'étude se concentre sur le canal de désintégration $B^0_s \to J/\psi \phi(1020) \to \mu^+\mu^- K^+K^-$.

• Sélection d'événements et déclencheurs : Deux stratégies de déclenchement indépendantes ont été employées : un déclencheur « étiquetage par muon » (MT) exigeant un candidat $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ plus un muon supplémentaire, et un déclencheur « standard » (ST) exigeant un candidat $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ déplacé conjointement avec un vertex $\phi(1020) \to K^+K^-$. Les événements ont été sélectionnés avec des exigences strictes de qualité cinématique et de vertex, aboutissant à un échantillon d'environ 67 908 (MT) et 555 213 (ST) candidats.
• Étiquetage de saveur : Un nouveau cadre d'étiquetage de saveur basé sur l'apprentissage automatique a été développé, combinant quatre algorithmes distincts : muon côté opposé (OS), électron OS, jet OS et étiquetage côté identique (SS). Les étiqueteurs OS infèrent la saveur du quark $b$ du signal en utilisant les produits de désintégration de l'autre quark $b$ dans l'événement, tandis que l'étiqueteur SS exploite les corrélations de charge entre le quark $b$ du signal et les particules de fragmentation voisines. Des réseaux de neurones profonds (DNN) ont été utilisés pour estimer la probabilité de mauvais étiquetage ($\omega_{\text{tag}}$) événement par événement. Le pouvoir d'étiquetage combiné atteint était de $P_{\text{tag}} \approx 5,6\%$, produisant un nombre effectif de candidats de signal étiquetés de $27 500 \pm 100$.
• Analyse d'amplitude : Une analyse angulaire dépendante du temps et de la saveur a été réalisée dans la base de transversité. L'analyse a mesuré les angles de désintégration ($\theta_T, \psi_T, \phi_T$) et le temps de désintégration propre ($ct$) du méson $B^0_s$ reconstruit. Le modèle de taux de désintégration comprenait des paramètres pour la phase faible $\phi_s$, la différence de largeur de désintégration $\Delta\Gamma_s$, la largeur de désintégration moyenne $\Gamma_s$, la différence de masse $\Delta m_s$, l'observable de VCP directe $|\lambda|$, les amplitudes de transversité ($A_0, A_\parallel, A_\perp$) et les phases fortes. Un terme d'onde S supplémentaire a été inclus pour rendre compte des contributions non résonantes $K^+K^-$ et des désintégrations $B^0_s \to J/\psi f_0(980)$.
• Traitement statistique : Les paramètres d'intérêt ont été extraits en utilisant un ajustement simultané par vraisemblance maximale étendue multidimensionnelle non binnée aux données, incorporant sept observables : la masse invariante ($m_{\mu\mu KK}$), le temps de désintégration propre ($ct$), son incertitude ($\sigma_{ct}$) et les trois angles de désintégration, ainsi que l'inférence d'étiquetage ($\omega_{\text{tag}}$). Les incertitudes systématiques ont été évaluées grâce à des études extensives sur des échantillons simulés, des méthodes de bootstrap et des hypothèses de modèles alternatives.

Contributions clés

• Algorithme d'étiquetage de saveur novateur : L'introduction d'un cadre d'étiquetage combiné OS et SS utilisant des réseaux de neurones profonds représente une avancée significative dans l'efficacité et la pureté de l'étiquetage de saveur pour ce canal de désintégration spécifique.
• Procédure d'analyse améliorée : L'analyse présente une procédure entièrement repensée par rapport aux résultats précédents du CMS, incluant des chemins de déclenchement améliorés et une gestion plus robuste des composantes de fond (spécifiquement $B^0 \to J/\psi K^{*0}$ et les fonds combinatoires).
• Plus grand échantillon effectif : Cette mesure utilise le plus grand nombre effectif de candidats de signal étiquetés jamais utilisé pour une mesure unique de $\phi_s$.

Résultats
L'analyse a mesuré la phase faible à :
$$\phi_s = -73 \pm 22 \text{ (stat)} \pm 10 \text{ (syst) mrad}$$
Cette valeur est cohérente avec les prédictions du Modèle Standard. La valeur mesurée de $|\lambda|$ est cohérente avec l'unité, indiquant l'absence de violation de CP directe. Tous les autres paramètres physiques mesurés ($\Delta\Gamma_s, \Gamma_s, \Delta m_s$, amplitudes et phases) ont été trouvés en accord avec les prédictions du MS et les valeurs moyennes mondiales précédentes.

Lorsqu'elle est combinée avec le résultat précédent du CMS obtenu à $\sqrt{s} = 8$ TeV en utilisant la méthode BLUE, la phase faible combinée est :
$$\phi_s = -75 \pm 23 \text{ mrad}$$
Ce résultat combiné diffère de zéro par 3,2 écarts types.

Signification
L'article affirme que la déviation de 3,2 écarts types de la valeur combinée de $\phi_s$ par rapport à zéro constitue la première preuve de violation de CP induite par le mélange dans les désintégrations $B^0_s \to J/\psi \phi(1020)$. Bien que le résultat soit cohérent avec le Modèle Standard, la précision atteinte permet des tests rigoureux du mécanisme CKM et établit des contraintes sur les contributions potentielles de nouvelle physique au mélange de $B^0_s$. La mesure remplace les résultats précédents du CMS et est comparable en précision aux mesures uniques les plus précises au monde.