Measurement of the branching fraction of the $\Lambda_b^0\to J/\psi\Lambda$ decay and isospin asymmetry of $B\to J/\psi K$ decays

En utilisant des données de collisions proton-proton collectées par l'expérience LHCb entre 2016 et 2018, cette étude mesure la fraction de branchement du désintégration $\Lambda_b^0\to J/\psi\Lambda$ par rapport à $B^0\to J/\psi K^0_\text{S}$ et détermine l'asymétrie d'isospin entre les taux de désintégration $B^0\to J/\psi K^0_\text{S}$ et $B^+\to J/\psi K^+$.

L'essentiel

🏭 L'Usine de Particules : Le LHCb

Imaginez le CERN comme une immense usine où l'on fait entrer des protons (de minuscules billes de matière) à une vitesse proche de celle de la lumière. Quand ils entrent en collision, c'est comme un crash-test géant qui produit des milliers de débris. Parmi ces débris, les physiciens cherchent des "trésors" : des particules rares et instables qui disparaissent presque instantanément.

Cette expérience, appelée LHCb, est spécialisée dans la chasse aux particules contenant un quark "b" (b pour bottom ou beau). C'est un détective très pointu qui observe les traces laissées par ces particules avant qu'elles ne s'évaporent.

🎯 La Chasse aux Deux Types de "Voitures"

Dans cette usine, deux types de véhicules particuliers sont produits :

1. Les B0 (B-zéro) : Ce sont des "voitures" (des mésons) qui contiennent un quark b et un quark léger.
2. Les Λ0b (Lambda-b) : Ce sont des "camions" (des baryons) qui contiennent un quark b et deux autres quarks.

L'objectif de cette étude est de comparer ces deux véhicules. Plus précisément, les physiciens regardent comment ils se transforment (se désintègrent) en un produit très reconnaissable : un J/ψ (une sorte de "coffre-fort" stable) accompagné soit d'un K (kaon), soit d'un Λ (Lambda).

C'est un peu comme si on voulait savoir : "Est-ce que les camions (Λ0b) se transforment en J/ψ plus souvent, moins souvent, ou aussi souvent que les voitures (B0) ?"

📏 La Règle de Mesure : Pourquoi c'est difficile ?

Le problème, c'est que dans l'usine, on ne produit pas exactement le même nombre de camions que de voitures. De plus, la probabilité de les voir dépend de leur vitesse (leur impulsion, ou pT).

Pour mesurer avec précision, les chercheurs n'ont pas compté les camions un par un. Ils ont utilisé une règle de proportionnalité :

• Ils ont compté combien de fois ils ont vu un Λ0b se transformer en J/ψ + Λ.
• Ils ont comparé ce nombre à celui des B0 se transformant en J/ψ + K.

En comparant les deux, ils ont pu calculer un taux de transformation (une "branche fraction"). C'est comme dire : "Pour chaque 100 voitures qui se transforment en J/ψ, il y a environ 75 camions qui font la même chose."

Le résultat clé :
Ils ont découvert que le taux de transformation du camions (Λ0b) est d'environ 0,75 par rapport à celui de la voiture (B0). C'est une mesure très précise, obtenue grâce à 5,4 milliards de collisions analysées (une quantité énorme de données !).

⚖️ Le Test d'Équilibre : L'Asymétrie d'Isospin

Ensuite, les chercheurs ont posé une autre question, un peu comme un test de symétrie dans un miroir.
Dans le modèle standard de la physique (nos règles actuelles de l'univers), il devrait y avoir une symétrie parfaite entre :

• Les voitures chargées positivement (B+) qui se transforment.
• Les voitures neutres (B0) qui se transforment.

C'est comme si vous aviez deux jumeaux : l'un porte un t-shirt rouge, l'autre un t-shirt bleu. Si vous les laissez courir, ils devraient avoir exactement la même vitesse et le même comportement, peu importe la couleur de leur t-shirt.

Les physiciens ont mesuré cette différence (appelée asymétrie d'isospin).
Le verdict : Les jumeaux sont parfaitement identiques ! La différence mesurée est de -0,0135, ce qui est statistiquement indistinguable de zéro. Cela confirme que nos règles actuelles de la physique sont solides : la nature ne fait pas de différence entre ces deux types de particules.

🧩 Pourquoi est-ce important ?

1. Comprendre la matière : Les baryons (comme le Λ0b) sont plus complexes que les mésons (comme le B0). En mesurant comment ils se comportent, on teste nos théories sur la force forte (la colle qui maintient les quarks ensemble).
2. Calibrer l'usine : Ces mesures servent de "référence" pour d'autres expériences. Si on sait exactement combien de camions et de voitures sont produits, on peut mieux chercher des phénomènes encore plus rares, comme ceux qui pourraient révéler une "nouvelle physique" au-delà de nos connaissances actuelles.
3. La précision : Cette étude est particulièrement précise car elle a tenu compte de la vitesse des particules. Auparavant, on pensait que la vitesse changeait tout, mais en divisant les données en tranches de vitesse, les chercheurs ont affiné leur mesure comme un chirurgien.

En résumé

Cette publication est comme un rapport de maintenance ultra-précis de l'usine de particules du CERN. Elle nous dit :

• "Nous savons maintenant exactement combien de fois les camions (Λ0b) se transforment par rapport aux voitures (B0)."
• "Nous avons vérifié que les voitures rouges et bleues se comportent exactement de la même manière."

C'est une victoire pour la précision et une confirmation que nos cartes de l'univers microscopique sont toujours justes.

Résumé technique

Titre du papier

Mesure du facteur de branchement de la désintégration $\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda$ et de l'asymétrie d'isospin des désintégrations $B \to J/\psi K$

1. Problématique et Contexte

Les désintégrations des hadrons contenant un quark $b$ en états finals avec un méson $J/\psi$ offrent des signatures expérimentales propres, largement utilisées pour l'étalonnage des mesures. Bien que les facteurs de branchement des mésons $B$ ($B^0 \to J/\psi K_S^0$ et $B^+ \to J/\psi K^+$) soient connus avec une grande précision grâce aux expériences de "B-factory" (BaBar, Belle, CLEO), ceux des baryons $b$ (comme le $\Lambda_b^0$) restent beaucoup moins bien déterminés.

Le défi principal réside dans la difficulté de mesurer le facteur de branchement absolu $\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda)$ car il dépend fortement de la fraction de hadronisation $f(b \to \Lambda_b^0)$, c'est-à-dire la probabilité qu'un quark $b$ se transforme en un baryon $\Lambda_b^0$. Cette fraction est fortement dépendante de l'impulsion transverse ($p_T$) et varie selon les hypothèses de modélisation. De plus, l'asymétrie d'isospin entre les taux de désintégration des mésons $B^+$ et $B^0$ doit être vérifiée pour valider les modèles du Modèle Standard, où elle est attendue comme étant nulle.

2. Méthodologie

Données et Expérience :
L'analyse utilise les données collectées par l'expérience LHCb au CERN lors de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV, sur la période 2016-2018. Le jeu de données correspond à une luminosité intégrée de 5,4 fb$^{-1}$.

Sélection des candidats :

• Canaux étudiés : $\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda$ (normalisé par rapport à $B^0 \to J/\psi K_S^0$) et comparaison des taux $B^+ \to J/\psi K^+$ vs $B^0 \to J/\psi K_S^0$.
• Reconstruction : Les particules sont reconstruites via leurs désintégrations en muons ($J/\psi \to \mu^+\mu^-$), pions ($K_S^0 \to \pi^+\pi^-$) et protons/pions ($\Lambda \to p\pi^-$).
• Catégories de traces : Les candidats $K_S^0$ et $\Lambda$ sont divisés en deux catégories selon la qualité de la reconstruction dans le détecteur de vertex : "longues" (long) et "aval" (downstream).
• Sélecteurs : Des classificateurs à arbres de décision boostés (BDT) sont utilisés pour supprimer le bruit de fond combinatoire dans les échantillons de traces longues.

Analyse des rendus :

• Les rendus de désintégration sont déterminés par des ajustements de vraisemblance maximale non binnés sur les distributions de masse invariante ($J/\psi K^+$, $J/\psi K_S^0$, $J/\psi \Lambda$).
• L'analyse est effectuée par tranches d'impulsion transverse ($p_T$) du hadron $b$ (de 4 à 20 GeV/c) pour tenir compte de la dépendance en $p_T$ de la production et de l'efficacité de détection.
• Le rapport des rendus $N(\Lambda_b^0)/N(B^0)$ est exprimé en fonction des facteurs de branchement, des fractions de hadronisation et des efficacités de reconstruction.

Corrections et Systématiques :

• Les efficacités sont corrigées à l'aide de simulations (Pythia, EvtGen, Geant4) et calibrées sur des données.
• Les incertitudes systématiques proviennent principalement de la connaissance de la fraction de hadronisation $f(b \to \Lambda_b^0)/f(b \to B^0)$, des facteurs de branchement externes ($K_S^0$, $\Lambda$), et des effets de la matière dans le détecteur (interactions hadroniques).

3. Contributions Clés

1. Mesure relative précise : Détermination du rapport des facteurs de branchement $\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda) / \mathcal{B}(B^0 \to J/\psi K_S^0)$ en tenant compte explicitement de la dépendance en $p_T$ de la fraction de hadronisation, une amélioration majeure par rapport aux mesures précédentes du Tevatron.
2. Validation de l'asymétrie d'isospin : Mesure de l'asymétrie d'isospin $A_I$ entre les désintégrations $B^+$ et $B^0$, servant de test de cohérence pour la reconstruction des hadrons à longue durée de vie et la sélection des événements.
3. Extraction du facteur de branchement absolu : Calcul du facteur de branchement absolu de $\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda$ en utilisant les valeurs mondiales moyennes des facteurs de branchement des mésons $B$ et les fractions de hadronisation mesurées par LHCb.

4. Résultats

Rapport de facteurs de branchement :
Le rapport mesuré est :
$$\frac{\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda)}{\mathcal{B}(B^0 \to J/\psi K_S^0)} = 0.750 \pm 0.005 (\text{stat}) \pm 0.022 (\text{syst}) \pm 0.005 (\text{ext}) \pm 0.062 (f)$$
où l'incertitude $f$ correspond à la fraction de hadronisation.

Facteur de branchement absolu :
En utilisant $\mathcal{B}(B^0 \to J/\psi K_S^0) = (4.45 \pm 0.11) \times 10^{-4}$, le facteur de branchement est déterminé comme suit :
$$\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda) = (3.34 \pm 0.02 \pm 0.10 \pm 0.08 \pm 0.28) \times 10^{-4}$$
Les incertitudes sont respectivement statistique, systématique, due aux entrées externes et due à la fraction de hadronisation.

Asymétrie d'isospin :
L'asymétrie d'isospin entre les taux de désintégration $B^0 \to J/\psi K_S^0$ et $B^+ \to J/\psi K^+$ est mesurée à :
$$A_I = -0.0135 \pm 0.0004 (\text{stat}) \pm 0.0133 (\text{syst})$$
Ce résultat est compatible avec zéro, conformément aux prédictions du Modèle Standard.

Fraction de production :
En supposant la symétrie d'isospin dans les désintégrations, le rapport des sections efficaces de production est estimé à :
$$f(b \to B^+) / f(b \to B^0) = 1.027 \pm 0.001 \pm 0.027$$

5. Signification et Impact

• Précision améliorée : Cette mesure réduit considérablement l'incertitude sur le facteur de branchement du $\Lambda_b^0 \to J/\psi \Lambda$ par rapport aux mesures antérieures, en résolvant la dépendance complexe en $p_T$ de la hadronisation.
• Validation théorique : Le résultat est compatible avec les estimations basées sur la Chromodynamique Quantique (QCD) perturbative et les approches de factorisation QCD.
• Outils pour la physique future : La mesure précise de ce canal est cruciale pour normaliser les analyses de processus rares ou interdits impliquant des baryons $b$ au LHC. De plus, la confirmation de l'absence d'asymétrie d'isospin significative valide les procédures de reconstruction et de sélection des hadrons à longue durée de vie dans le détecteur LHCb, renforçant la fiabilité des futures mesures de violation de CP dans le secteur des baryons.

En résumé, ce papier fournit une référence expérimentale robuste pour la physique des baryons $b$ et démontre la capacité de LHCb à contrôler systématiquement les effets de hadronisation dépendants de l'impulsion.