Search for the lepton number violating decay $η\to π^+π^+e^-e^- + c.c.$ via $J/ψ\toϕη$

En analysant un échantillon de $10,087 \times 10^9$ événements $J/\psi$ collectés par le détecteur BESIII, les chercheurs ont effectué la première recherche du désintégration violant le nombre leptonique $\eta\to \pi^+\pi^+ e^-e^- + \text{c.c.}$, n'ont observé aucun signal et ont établi une limite supérieure sur sa fraction d'embranchement de $4,6 \times 10^{-6}$ au niveau de confiance de 90 %.

L'essentiel

🕵️‍♂️ L'Enquête : La Grande Chasse aux Particules "Fantômes"

Imaginez l'univers comme une immense usine de Lego géante. Dans cette usine, il y a des règles très strictes que tout le monde respecte, comme une loi de la nature : le nombre de "pièces lepton" (une sorte de pièce de monnaie cosmique) doit toujours rester le même. Si vous en avez 10 au début, vous devez en avoir 10 à la fin. C'est ce qu'on appelle la "conservation du nombre leptonique".

Mais, les physiciens se demandent : "Et si, très rarement, quelqu'un trichait ?" Et si une particule pouvait disparaître et en faire apparaître deux autres du même type, violant ainsi la loi ? C'est ce qu'on appelle une violation du nombre leptonique.

Si nous trouvons une telle triche, cela prouverait l'existence d'une particule mystérieuse appelée neutrino de Majorana. C'est comme découvrir qu'un miroir peut non seulement refléter votre image, mais aussi devenir votre propre jumeau ! Cela changerait tout ce que nous savons sur la masse des neutrinos et pourquoi l'univers est fait de matière plutôt que d'antimatière.

🎬 Le Théâtre de l'Expérience : Le Bébé J/ψ

Pour chercher cette triche, les scientifiques du laboratoire BESIII (en Chine) ont utilisé un accélérateur de particules appelé BEPCII. Imaginez cela comme un immense manège où l'on fait entrer en collision des électrons et des positrons (des anti-électrons) à des vitesses folles.

Quand ils entrent en collision, ils créent une particule très lourde et instable appelée J/ψ (prononcé "J-psi"). C'est un peu comme un feu d'artifice cosmique. Ce J/ψ explose presque instantanément en d'autres particules.

L'équipe a regardé un scénario très précis :

1. Le J/ψ se transforme en un phi (un autre type de particule) et un oméga (une particule appelée η, "êta").
2. Le phi se sépare en deux kaons (des particules lourdes).
3. Et c'est là que l'on attend le miracle : l'η devrait se désintégrer en deux pions positifs et deux électrons négatifs.

Le problème ? Selon les règles habituelles de la physique, l'η ne devrait jamais faire cela. C'est interdit ! C'est comme si vous jetiez une pomme au sol et qu'elle se transformait soudainement en deux oranges et deux bananes sans aucune raison logique.

🔍 La Méthode : La Chasse au Trésor Aveugle

Les scientifiques ont analysé 10 milliards d'événements de collision (10 000 000 000 !). C'est un nombre colossal, comme compter chaque grain de sable sur une plage immense.

Pour éviter de se tromper ou de voir des choses qui n'existent pas (comme voir des visages dans les nuages), ils ont utilisé une technique appelée "analyse à l'aveugle".

• L'analogie : Imaginez que vous cherchez un trésor dans une boîte remplie de sable. Vous ne pouvez pas regarder à l'intérieur tant que vous n'avez pas défini exactement où chercher et comment trier le sable. Une fois que toutes les règles sont fixées, vous ouvrez la boîte. Si le trésor n'est pas là, vous le savez vraiment.

Ils ont aussi utilisé une particule de référence (l'η qui se transforme en deux photons, comme deux flashs de lumière) pour s'assurer que leurs détecteurs fonctionnaient parfaitement. C'est comme calibrer une balance avec un poids connu avant de peser l'inconnu.

🚫 Le Résultat : Le Silence de la Nuit

Après avoir passé au crible ces milliards de collisions, le résultat est sans appel : Rien.

• Pas de deux pions + deux électrons.
• Pas de tricheurs.
• Pas de violation de la loi.

Le détecteur est resté silencieux. Aucune particule n'a osé enfreindre la règle du nombre leptonique dans ce cas précis.

📉 La Conclusion : Une Limite de Précision

Même s'ils n'ont rien trouvé, ce n'est pas un échec ! C'est une victoire pour la science.

Puisqu'ils n'ont rien vu, ils peuvent dire : "Si ce phénomène existe, il est si rare que nous ne l'avons pas vu sur 10 milliards d'essais."
Ils ont donc établi une limite supérieure : la probabilité que cela arrive est inférieure à 4,6 chances sur un million.

C'est comme si vous cherchiez une aiguille dans une botte de foin, et après avoir fouillé 10 milliards de bottes sans rien trouver, vous pouvez affirmer : "S'il y a une aiguille, elle doit être plus fine qu'un cheveu ou plus rare qu'un diamant dans le désert."

🌟 Pourquoi c'est important ?

Cette expérience est la première de ce type pour la particule η. Elle ajoute une pièce cruciale au puzzle de la physique. Même si nous n'avons pas trouvé le "trésor" (la violation), nous avons confirmé que les règles du jeu sont très solides. Cela force les théoriciens à affiner leurs modèles et nous rapproche, pas à pas, de la compréhension de la nature profonde de l'univers et de la matière.

En résumé : Les détectives ont fouillé 10 milliards de scènes de crime, n'ont trouvé aucun coupable, et ont prouvé que le crime est extrêmement difficile à commettre.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte Physique

La recherche de processus violant le nombre leptonique (LNV, Lepton Number Violation) est une priorité majeure pour tester les limites du Modèle Standard (SM) et explorer la physique au-delà de celui-ci.

• Conservation du nombre leptonique : Dans le Modèle Standard, le nombre leptonique total est conservé. Cependant, les oscillations de neutrinos suggèrent que les neutrinos ont une masse non nulle, ce qui pourrait impliquer des processus LNV.
• Neutrinos de Majorana : La détection d'un processus LNV avec un changement de nombre leptonique de deux unités ($|\Delta L| = 2$) constituerait une preuve directe de l'existence de neutrinos de Majorana (où la particule est sa propre antiparticule).
• Asymétrie matière-antimatière : Les processus combinant la violation du nombre leptonique (LNV) et du nombre baryonique (BNV) pourraient expliquer l'asymétrie baryonique observée dans l'univers primitif.
• Objectif de l'étude : Ce travail présente la première recherche expérimentale du désintégration interdite par le Modèle Standard : $\eta \to \pi^+ \pi^+ e^- e^-$ (et son conjugué de charge). Ce canal est particulièrement intéressant car il implique un changement de deux unités de nombre leptonique.

2. Méthodologie Expérimentale

L'analyse a été réalisée à l'aide des données collectées par le détecteur BESIII au collisionneur BEPCII en Chine.

• Échantillon de données : L'étude utilise un échantillon de $(10,087 \pm 0,044) \times 10^9$ événements $J/\psi$.
• Chaîne de désintégration : La recherche se concentre sur le processus :
  $$J/\psi \to \phi \eta, \quad \text{suivi de} \quad \phi \to K^+ K^- \quad \text{et} \quad \eta \to \pi^+ \pi^+ e^- e^-$$
• Analyse en aveugle : Pour éviter tout biais, une technique d'analyse en aveugle a été employée. Les procédures d'analyse et les critères de sélection ont été fixés et validés sur des simulations Monte Carlo (MC) avant l'examen de la région de signal dans les données réelles.
• Sélection des événements :
  • Exigence d'au moins six traces chargées ($K^+, K^-, \pi^+, \pi^+, e^-, e^-$).
  • Identification des particules (PID) basée sur la perte d'énergie spécifique ($dE/dx$), le temps de vol (TOF) et l'énergie déposée dans le calorimètre électromagnétique (EMC).
  • Ajustement cinématique à 4 contraintes (4C) pour contraindre l'impulsion totale à celle du système initial $e^+e^-$.
• Région de signal : Définie par les masses invariants :
  • $M_{\pi^+\pi^+e^-e^-} \in [0,530, 0,564] \, \text{GeV}/c^2$ (autour de la masse du $\eta$).
  • $M_{K^+K^-} \in [1,008, 1,031] \, \text{GeV}/c^2$ (autour de la masse du $\phi$).
• Méthode de normalisation : Pour éviter l'incertitude élevée sur la branche de désintégration $B(J/\psi \to \phi \eta)$ (environ 11%), le rapport des branches de désintégration a été mesuré par rapport à un canal de référence : $\eta \to \gamma\gamma$.
  $$B(\eta \to \pi^+\pi^+e^-e^-) = B(\eta \to \gamma\gamma) \times \frac{N_{\text{net}}^{\pi\pi ee} \cdot \epsilon_{\gamma\gamma}}{\epsilon_{\pi\pi ee} \cdot N_{\text{net}}^{\gamma\gamma}}$$
  Le canal de référence a permis de reconstruire environ $647,5 \times 10^3$ événements $\eta \to \gamma\gamma$.

3. Résultats Clés

• Observation de signal : Aucun événement candidat n'a été observé dans la région de signal définie pour le canal $\eta \to \pi^+ \pi^+ e^- e^-$. L'analyse des données de fond (via l'échantillon MC inclusif) a confirmé l'absence d'événements de fond significatifs dans cette région.
• Limite supérieure : En l'absence de signal, une limite supérieure a été établie sur le nombre d'événements attendus à 90 % de niveau de confiance (CL), en utilisant une méthode fréquentiste avec un traitement de vraisemblance profilée pour les incertitudes systématiques.
• Incertitudes systématiques : Les principales sources d'incertitude incluent le suivi des traces (tracking), l'identification des particules (PID), l'efficacité de détection des photons, l'ajustement cinématique et la modélisation MC. L'incertitude systématique totale est de 7,5 %.
• Valeur de la limite : La limite supérieure sur la branche de désintégration est fixée à :
  $$B(\eta \to \pi^+ \pi^+ e^- e^-) < 4,6 \times 10^{-6} \quad (\text{à 90 \% CL})$$

4. Contributions et Signification

• Première contrainte expérimentale : Il s'agit de la première recherche expérimentale de ce canal de désintégration LNV spécifique pour le méson $\eta$.
• Complémentarité : Ce résultat complète les contraintes existantes provenant d'autres expériences (LHCb, CMS, expériences nucléaires comme KamLAND-Zen) et élargit la recherche de nouvelle physique aux hadrons légers.
• Implications théoriques : Bien qu'aucun signal n'ait été détecté, cette limite stricte ($4,6 \times 10^{-6}$) impose des contraintes sévères sur les modèles théoriques prédisant des mécanismes LNV à basse énergie, notamment ceux impliquant des neutrinos de Majorana lourds ou d'autres particules au-delà du Modèle Standard.
• Validation de la méthode : L'étude démontre la capacité du détecteur BESIII à effectuer des recherches de précision sur des processus rares en utilisant des techniques d'analyse en aveugle et des normalisations robustes.

En conclusion, cette étude marque une étape importante dans l'exploration de la violation du nombre leptonique dans les désintégrations de mésons légers, fournissant une nouvelle référence expérimentale pour guider les développements théoriques futurs.