Amplitude analysis of $B^0 \rightarrow η_c(1S) K^+ π^-$ decays

En utilisant les données de LHCb, cet article réalise une analyse en amplitude des désintégrations $B^0 \rightarrow \eta_c(1S) K^+ \pi^-$ pour mesurer leur fraction de branchement et ne trouve aucune preuve de la résonance exotique précédemment rapportée dans le système $\eta_c(1S) \pi^-$, les données étant bien décrites par les résonances $K^{0*}$ connues.

L'essentiel

La vue d'ensemble : Une histoire de détective cosmique

Imaginez le détecteur LHCb au CERN comme un appareil photo géant, ultra-rapide, prenant des milliards de photos de collisions minuscules et invisibles. Dans cette étude spécifique, les scientifiques observent un événement très rare : la désintégration (la décomposition) d'une particule lourde appelée méson $B^0$ en trois particules plus petites : une paire proton-antiproton (provenant d'un méson $\eta_c$), un kaon ($K^+$) et un pion ($\pi^-$).

Considérez le méson $B^0$ comme une valise lourde et instable qui éclate instantanément. Les scientifiques veulent savoir exactement comment elle éclate. Se désintègre-t-elle d'un seul coup ? Ou passe-t-elle par une étape intermédiaire spécifique ?

Le mystère : Y a-t-il des particules « exotiques » ?

Depuis des décennies, les physiciens chassent des particules « exotiques ». Les particules standards sont comme des briques Lego simples (composées de deux ou trois pièces plus petites). Les particules exotiques sont comme des structures Lego complexes, faites de quatre ou cinq pièces collées ensemble de manière étrange.

Dans une étude précédente (utilisant moins de données), l'équipe du LHCb pensait avoir vu un fantôme dans la machine : une nouvelle particule exotique qu'ils ont nommée $T_{c\bar{c}}(4100)^-$. Ils avaient observé un « pic » dans les données suggérant l'existence de cette particule, agissant comme un intermédiaire qui se formait brièvement avant que les particules finales ne s'envolent.

L'objectif de ce papier :
Les scientifiques sont revenus avec un ensemble de données beaucoup plus vaste (environ le double de la taille de la précédente) pour voir si ce « fantôme » était réel ou simplement un jeu de lumière. Ils voulaient confirmer si cette particule exotique existe ou si les données peuvent être expliquées par des particules standards connues.

L'enquête : Trier les indices

Pour résoudre cela, les scientifiques ont utilisé une technique appelée analyse d'amplitude.

L'analogie : L'orchestre
Imaginez que la désintégration du méson $B^0$ est une pièce de musique jouée par un orchestre.

• Les particules connues (appelées résonances $K^*$) sont les instruments standards (violons, tambours, flûtes) que nous savons jouer.
• La particule exotique serait un tout nouvel instrument étrange que nous n'avons jamais entendu auparavant.

Les scientifiques ont enregistré la « musique » (les données) et ont tenté de déterminer quels instruments jouaient.

1. Le modèle de base : D'abord, ils ont essayé d'expliquer la musique en utilisant uniquement les instruments standards qu'ils connaissaient déjà.
2. Le modèle étendu : Ensuite, ils ont essayé d'ajouter le « nouvel instrument étrange » (l'exotique $T_{c\bar{c}}(4100)^-$) pour voir si cela rendait la musique meilleure.

Les découvertes : Le fantôme disparaît

Voici ce qu'ils ont découvert :

1. Les instruments connus suffisaient : Lorsqu'ils n'utilisaient que les particules standards connues (les résonances $K^*$), le modèle correspondait très bien aux données. La « musique » était parfaitement expliquée sans avoir besoin d'un nouvel instrument.
2. Le candidat exotique s'estompe : Lorsqu'ils ont ajouté la particule exotique au modèle, cela a rendu l'ajustement mathématiquement légèrement meilleur. Cependant, lorsqu'ils ont pris en compte tout le « bruit » et les erreurs possibles de leur équipement (incertitudes systématiques), la preuve de cette nouvelle particule a disparu.
3. Le verdict : Le « pic » observé dans l'étude précédente était probablement un simple hasard statistique ou une méconnaissance du bruit de fond. Avec plus de données, le cas pour la particule exotique $T_{c\bar{c}}(4100)^-$ n'est pas confirmé.

L'analogie :
Imaginez que vous entendez un bruit étrange dans votre grenier. Vous pensez que c'est un fantôme. Vous appelez un détective (la première étude), et il dit : « Oui, ça ressemble à un fantôme. »
Vous attendez un an, obtenez un meilleur équipement d'enregistrement, et enregistrez le bruit à nouveau (cette étude). Cette fois, le détecte écoute attentivement et dit : « En fait, c'est juste le vent qui souffle à travers une fenêtre mal fermée. Le fantôme n'est pas là. »

L'autre résultat : Mesurer la « fréquence »

Bien qu'ils n'aient pas trouvé le fantôme, ils ont mesuré quelque chose de très important : À quelle fréquence cette désintégration se produit-elle ?

Ils ont calculé la fraction de branchement.

• Analogie : Si vous avez un sac contenant 10 000 mésons $B^0$, combien d'entre eux se désintégreront en ce trio spécifique de particules ?
• Le résultat : Ils ont constaté qu'environ 582 mésons $B^0$ sur un million se désintègrent de cette manière.
• Ils ont rapporté ce nombre avec une grande précision, offrant aux physiciens un point de référence solide pour les théories futures.

Résumé

• Ce qu'ils ont fait : Ils ont analysé une quantité massive de données de collisions pour étudier comment une particule spécifique se désintègre.
• Ce qu'ils cherchaient : Des preuves d'une nouvelle particule exotique composée de quatre quarks.
• Ce qu'ils ont trouvé : Les données sont parfaitement expliquées par des particules standards connues. Les preuves de la particule exotique observées dans une étude antérieure, plus petite, ne sont pas confirmées avec cet ensemble de données plus vaste.
• Ce qu'ils ont mesuré : Ils ont mesuré avec précision la probabilité que cette désintégration se produise, fournissant un nouveau chiffre de référence à la communauté scientifique.

En bref : Les scientifiques ont cherché activement un nouveau type de particule, mais l'univers leur a dit : « Non, juste les suspects habituels cette fois. » Ils ont également effectué un recensement très précis de la fréquence à laquelle cet événement se produit.

Résumé technique

Résumé technique : Analyse en amplitude des désintégrations $B^0 \to \eta_c(1S)K^+\pi^-$

Problème et contexte
L'article traite de la recherche d'états hadroniques exotiques, spécifiquement ceux ayant des compositions en quarks au-delà des mésons $q\bar{q}$ et des baryons $qqq$ conventionnels, tels que les tétraquarks ($qq\bar{q}\bar{q}$). Des modèles théoriques précédents et des observations expérimentales, notamment la $T_{cc}(3900)^-$ et divers états de type charmonium, suggèrent l'existence de telles particules. Un candidat spécifique, la $T_{c\bar{c}}(4100)^-$, avait été précédemment rapporté par la collaboration LHCb dans une analyse de 2018 du canal de désintégration $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$. Cet état était hypothétisé comme une résonance isovectrice se désintégrant en $\eta_c \pi^-$, potentiellement liée à la $T_{cc}(3900)^-$ via la symétrie de spin des quarks lourds. Cependant, les preuves initiales étaient basées sur un échantillon de données de 4,7 fb$^{-1}$. L'étude actuelle vise à réévaluer l'existence et les propriétés de ce candidat exotique en utilisant un échantillon de données nettement plus important (9 fb$^{-1}$) afin de déterminer si l'observation précédente résiste à une puissance statistique accrue et à un meilleur contrôle systématique.

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton collectées par le détecteur LHCb à des énergies dans le centre de masse de $\sqrt{s} = 7, 8$ et $13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 9 fb$^{-1}$. L'étude se concentre sur la chaîne de désintégration $B^0 \to \eta_c(1S) K^+ \pi^-$, avec le $\eta_c(1S)$ reconstruit via sa désintégration en une paire proton-antiproton ($\eta_c \to p\bar{p}$). Ce mode de reconstruction spécifique a été choisi pour éviter les incertitudes systématiques associées à la distinction des kaons et des pions dans l'état final, ce qui est nécessaire lors de l'utilisation de modes de désintégration mésoniques du $\eta_c$.

L'analyse procède selon les étapes suivantes :

1. Sélection des candidats : Les candidats $B^0$ sont reconstruits dans l'état final $p\bar{p}K^+\pi^-$. Un ajustement cinématique contraint la masse et le vertex d'origine du $B^0$. Un algorithme de forêt d'arbres de décision boostés (BDT) est employé pour supprimer le fond combinatoire, entraîné séparément pour les données de Run 1 et Run 2.
2. Extraction des rendements : Un ajustement par vraisemblance maximale étendue bidimensionnel est effectué sur les distributions de masse $m_{p\bar{p}K^+\pi^-}$ et $m_{p\bar{p}}$ pour extraire les rendements de signal à la fois pour le signal $B^0 \to \eta_c K^+ \pi^-$ et pour le canal de normalisation $B^0 \to J/\psi K^+ \pi^-$. Les signaux $\eta_c$ et $J/\psi$ sont isolés dans des fenêtres de masse spécifiques.
3. Analyse du diagramme de Dalitz (DP) : La dynamique de la désintégration à trois corps est analysée à l'aide d'un ajustement par vraisemblance maximale non binné sur le diagramme de Dalitz, défini par les masses invariants carrées $m^2_{K^+\pi^-}$ et $m^2_{\eta_c\pi^-}$. L'analyse prend en compte la largeur naturelle finie du méson $\eta_c$ en utilisant des quadri-impulsions plutôt que des valeurs de masse fixes.
4. Modélisation de l'amplitude :
   • Modèle de base : Comprend uniquement les résonances $K^*_0$ connues se désintégrant en $K^+\pi^-$ (spécifiquement $K^*(892)^0$, $K^*(1410)^0$, $K^*_0(1430)^0$, $K^*_2(1430)^0$, $K^*(1680)^0$ et $K^*_0(1950)^0$) et une composante S non résonante modélisée avec la fonction LASS.
   • Modèle étendu : Ajoute une amplitude exotique correspondant au candidat $T_{c\bar{c}}(4100)^-$ se désintégrant en $\eta_c \pi^-$. Ce candidat est testé sous deux hypothèses de nombres quantiques ($J^P = 0^+$ et $J^P = 1^-$).
5. Incertitudes systématiques : Des études approfondies sont menées pour évaluer les effets systématiques, incluant la paramétrisation du fond, la modélisation de l'efficacité, les veto sur les limites du diagramme de Dalitz et les variations des paramètres de forme de raie des résonances.

Résultats clés

• Recherche de résonance exotique : Lorsqu'une amplitude exotique $T_{c\bar{c}}(4100)^-$ est ajoutée au modèle de base, la qualité de l'ajustement s'améliore légèrement. La signification statistique de cette contribution est trouvée à 3,6$\sigma$ lorsque les incertitudes systématiques sont négligées. Cependant, lorsque les incertitudes systématiques (en particulier celles liées à la paramétrisation du fond et à la modélisation de l'efficacité) sont incluses, la signification chute à 2,5$\sigma$. Par conséquent, l'article conclut que les preuves de l'état $T_{c\bar{c}}(4100)^-$ ne sont pas confirmées avec l'échantillon de données actuel. L'hypothèse $J^P = 1^-$ est préférée à $0^+$, mais la discrimination n'est pas statistiquement significative une fois les systématiques prises en compte.
• Analyse en amplitude : Les données sont bien décrites par le modèle de base contenant uniquement les résonances $K^*_0$ connues. Les contributions dominantes proviennent de $B^0 \to \eta_c K^*(892)^0$ (fraction d'ajustement $\approx 49\%$) et de $B^0 \to \eta_c K^*_0(1430)^0$ (fraction d'ajustement $\approx 31\%$). Les fractions d'ajustement, les modules et les phases pour tous les états intermédiaires $K^*_0$ sont rapportés avec les incertitudes statistiques et systématiques.
• Mesure du rapport d'embranchement : Le rapport d'embranchement inclusif pour $B^0 \to \eta_c(1S) K^+ \pi^-$ est mesuré par rapport au canal de normalisation $B^0 \to J/\psi K^+ \pi^-$. Le résultat est :
  $$\mathcal{B}(B^0 \to \eta_c(1S) K^+ \pi^-) = (5,82 \pm 0,20 \text{ (stat)} \pm 0,23 \text{ (syst)} \pm 0,55 \text{ (ext)}) \times 10^{-4}$$
  Cette valeur est cohérente avec la moyenne mondiale et la mesure précédente de LHCb. Les rapports d'embranchement produits pour les résonances intermédiaires $K^*_0$ sont également fournis.

Signification
L'article affirme que cette analyse remplace l'étude précédente de LHCb (Réf. [20]) en utilisant un échantillon de données environ deux fois plus grand. La signification principale réside dans la réévaluation rigoureuse du candidat $T_{c\bar{c}}(4100)^-$. Alors que l'analyse précédente rapportait des preuves de cet état exotique, l'échantillon de données actuel, plus important, ne confirme pas son existence lorsque les incertitudes systématiques sont correctement prises en compte. Les résultats suggèrent que les structures observées dans le système $\eta_c \pi^-$ peuvent être adéquatement décrites par les résonances $K^*_0$ connues et leurs interférences, sans nécessiter d'interprétation exotique en tétraquark. De plus, l'article fournit la mesure la plus précise à ce jour du rapport d'embranchement inclusif pour ce mode de désintégration et une caractérisation détaillée des contributions $K^*_0$, servant de référence pour les futures recherches d'hadrons exotiques dans des canaux de désintégration similaires.