Measurement of time-dependent $CP$ asymmetries in $B^0 \to K_{\rm S}^0 \: π^{+} π^{-} γ$ decays at Belle and Belle II

En utilisant les données combinées des expériences Belle et Belle II, cet article rapporte la première mesure des paramètres d'asymétrie de CP dépendant du temps ($C$, $S$, $S^+$ et $S^-$) dans les désintégrations $B^0 \to K_{\rm S}^0 \pi^+ \pi^- \gamma$, donnant des résultats cohérents avec zéro au sein des incertitudes.

L'essentiel

La vue d'ensemble : Une danse cosmique de jumeaux

Imaginez deux jumeaux identiques nés exactement au même instant, exécutant une routine parfaitement synchronisée. Dans le monde de la physique des particules, ces « jumeaux » sont une paire de particules appelées mésons B (plus précisément un $B^0$ et son antiparticule, $\bar{B}^0$). Ils sont créés ensemble lors d'une collision à haute énergie dans les collisionneurs SuperKEKB et KEKB au Japon.

Parce qu'ils naissent ensemble dans un état de « intrication quantique », ils sont liés. Si l'un des jumeaux décide de changer d'identité (un processus appelé « oscillation de saveur ») à un moment précis, l'autre jumeau le sait instantanément.

Les scientifiques de ce papier (les collaborations Belle et Belle II) agissent comme des photographes à haute vitesse essayant de capturer un mouvement de danse très spécifique et rare exécuté par ces jumeaux. Ils recherchent une désintégration particulière :

• La star du spectacle : Un méson $B^0$ se désintégrant en un photon (une particule de lumière), un kaon neutre ($K^0_S$) et deux pions ($\pi^+\pi^-$).
• L'objectif : Voir si la « danse » des particules suit les règles du Modèle Standard (le livre de règles actuel de la physique) ou s'il existe une anomalie qui suggérerait une « Nouvelle Physique » (des règles que nous n'avons pas encore découvertes).

Le mystère : Lumière gauche ou droite ?

Dans le Modèle Standard, lorsqu'un méson $B^0$ se désintègre et émet un photon, ce photon est presque toujours « de gauche » (il tourne dans une direction spécifique). Un photon « de droite » est si rare que c'est comme chercher une aiguille dans une botte de foin.

Cependant, s'il existe des forces ou des particules inconnues (une physique au-delà du Modèle Standard), elles pourraient faire apparaître plus fréquemment le photon « de droite ». Les scientifiques cherchent une subtile asymétrie dans le timing de la désintégration pour voir si cette influence « de droite » s'y glisse.

L'expérience : Une course contre la montre

Pour capturer cet événement rare, les scientifiques ont utilisé deux « caméras » massives (détecteurs) :

1. Belle : Une caméra plus ancienne qui a fonctionné de 1999 à 2010.
2. Belle II : Une caméra plus récente et plus nette qui a débuté en 2019.

Ils ont collecté une quantité massive de données, équivalente à 1 076 « femtobarns inverses » (une unité de données de collision). Pour donner un ordre d'idée, ils ont observé des milliards de collisions de particules pour ne trouver que quelques centaines des « mouvements de danse » spécifiques qui les intéressaient.

Le défi :
Le méson $B^0$ se désintègre incroyablement vite. Pour mesurer la différence de temps entre la danse des deux jumeaux, les scientifiques ont dû reconstruire l'« histoire » de l'événement :

• Le Signal ($B_{sig}$) : Le jumeau qu'ils étudient.
• Le Tag ($B_{tag}$) : L'autre jumeau. En comprenant comment le jumeau « tag » s'est désintégré, ils peuvent déduire ce que le jumeau « signal » faisait au tout début.

La mesure : L'« Asymétrie CP »

Les scientifiques ont mesuré ce qu'on appelle l'Asymétrie CP. Voyez cela comme une vérification pour savoir si l'univers traite la matière et l'antimatière de la même manière.

• Si l'univers est parfaitement équitable, la « danse » devrait être la même que vous la regardiez en marche avant ou en marche arrière dans le temps.
• S'il y a une asymétrie, cela signifie que l'univers a une légère préférence, ce qui pourrait expliquer pourquoi notre univers est composé de matière plutôt que d'un vide total.

Ils ont mesuré quatre paramètres spécifiques pour décrire cette asymétrie :

1. $C$ et $S$ : Les scores principaux de l'asymétrie.
2. $S_+$ et $S_-$ : De nouveaux scores plus détaillés. Les scientifiques ont divisé leurs données en deux parties basées sur la façon dont les particules se déplaçaient (comme diviser une piste de danse en un côté « gauche » et un côté « droit ») afin d'obtenir une vue plus granulaire de la physique.

Les résultats : Qu'ont-ils trouvé ?

Après avoir analysé les chiffres des deux anciennes et nouvelles caméras, voici ce qu'ils ont trouvé :

• Les scores : Ils ont mesuré les paramètres d'asymétrie pour être approximativement :

  • $C \approx -0,17$
  • $S \approx -0,29$
  • $S_+ \approx -0,57$
  • $S_- \approx 0,31$
    (Note : Ces chiffres possèdent des « barres d'erreur » car mesurer des particules subatomiques revient à essayer de peser une plume dans un ouragan.)

• Le verdict :

  • Les résultats sont cohérents avec le Modèle Standard. La « danse » ressemble principalement à ce que le livre de règles prédisait.
  • Cependant, les mesures des nouveaux paramètres ($S_-$) sont légèrement « tendues » (à environ 2 écarts-types de zéro). Ce n'est pas encore une preuve définitive d'une nouvelle physique, mais c'est un indice qui maintient l'intérêt des scientifiques.
  • La plus grande réussite est la précision. En combinant les données des deux expériences, ils ont réduit l'incertitude de moitié par rapport aux mesures précédentes. Cela rend la « règle » qu'ils utilisent pour mesurer l'univers beaucoup plus tranchante.

Pourquoi est-ce important ?

Ce papier ne prétend pas avoir trouvé une nouvelle particule ou une nouvelle force. Au contraire, il a resserré le filet.

Imaginez que vous essayez de trouver un type de poisson spécifique dans un immense océan. Les études précédentes lançaient un filet large et attrapaient quelques poissons, mais le filet avait de grandes mailles. Cette étude a utilisé un filet au maillage plus fin. Ils n'ont pas encore trouvé de « poisson monstre » (Nouvelle Physique), mais ils ont prouvé que si le poisson monstre est là, il doit être très petit ou très discret.

En mesurant ces paramètres avec une telle précision, ils ont imposé des limites strictes sur la quantité de lumière « de droite » pouvant exister dans ces désintégrations. Cela aide les théoriciens à éliminer certaines idées sur ce qui pourrait se cacher au-delà de notre compréhension actuelle de l'univers.

Résumé en un mot

Les équipes Belle et Belle II ont pris un instantané massif de milliards de collisions de particules pour observer une danse rare et éphémère entre la matière et l'antimatière. Ils ont mesuré le timing de cette danse avec une précision sans précédent. La danse suit principalement les règles connues de la physique, mais les mesures sont désormais si précises qu'elles peuvent détecter les plus infimes écarts, aidant ainsi les scientifiques à restreindre les zones où les secrets de l'univers pourraient se cacher.

Résumé technique

Résumé technique : Mesure des asymétries de CP dépendantes du temps dans les désintégrations $B^0 \to K^0_S \pi^+ \pi^- \gamma$

Problématique et motivation
Les courants neutres à changement de saveur, spécifiquement les transitions $b \to s\gamma$, constituent des sondes sensibles pour la physique au-delà du Modèle Standard (MS). Dans le MS, le photon émis dans ces transitions est prédominamment de chiralité gauche, les contributions droites étant supprimées par un facteur proportionnel à $m_s^2/m_b^2$. Par conséquent, la violation de CP induite par le mélange dans les désintégrations vers des états propres à CP ($B^0 \to f_{CP}\gamma$) est prédite comme étant très faible. Des courants droits augmentés, prédits par divers scénarios au-delà du Modèle Standard (BSM), pourraient augmenter significativement l'asymétrie de CP induite par le mélange. Cet article présente une mesure de ces asymétries dans la désintégration $B^0 \to K^0_S \pi^+ \pi^- \gamma$, un canal où la résonance intermédiaire $K_{res}$ se désintègre en $K^0_S \rho^0$ (un état propre à CP), mais qui inclut également des contributions provenant d'états non propres à CP impliquant des résonances de mésons étranges.

Méthodologie
L'analyse utilise les ensembles de données combinés des expériences Belle et Belle II collectés au niveau de la résonance $\Upsilon(4S)$. La luminosité intégrée totale comprend $711 \text{ fb}^{-1}$ de Belle et $365 \text{ fb}^{-1}$ de Belle II.

• Sélection des candidats : Les candidats de signal sont reconstruits en identifiant un photon ($E_\gamma > 1,4/1,5 \text{ GeV}$), un $K^0_S$ (se désintégrant en $\pi^+\pi^-$) et une paire de pions prompts formant un candidat $\rho^0$. La masse invariante de $K_{res}$ est contrainte dans l'intervalle $[0,9, 1,8] \text{ GeV}/c^2$, et le candidat $B^0$ doit satisfaire aux critères de masse contrainte par l'énergie du faisceau ($M_{bc}$) et de différence d'énergie ($\Delta E$). Un arbre de décision boosté (BDT) multivarié est employé pour supprimer le bruit de fond de continuum ($e^+e^- \to q\bar{q}$).
• Marquage de saveur et dépendance temporelle : La saveur du méson $B^0$ de signal ($B_{sig}$) au moment de la désintégration est déduite des produits de désintégration du méson $B$ compagnon ($B_{tag}$) en utilisant des algorithmes de marquage de saveur. Pour Belle, un algorithme multivarié standard est utilisé ; pour Belle II, un réseau de neurones graphiques (GFlat) est employé. La différence de temps propre ($\Delta t$) entre les deux désintégrations est reconstruite à l'aide des positions de vertex le long de la direction de l'impulsion (boost).
• Stratégie d'ajustement (Fit) : Un ajustement par maximum de vraisemblance non biné est effectué sur les observables $M_{bc}$, $\Delta E$ et $\Delta t$. Le modèle d'ajustement inclut la composante de signal et trois sources de bruit de fond : les événements de continuum, les désintégrations $B\bar{B}$ mal reconstruites, et l'auto-flux de désintégration (SCF) où un pion provenant du côté de marquage est identifié à tort comme un pion de signal.
• Observables de CP : L'analyse extrait les paramètres de violation de CP induite par le mélange ($S$) et directe ($C$) standards. De plus, deux nouvelles observables, $S_+$ et $S_-$, sont mesurées. Elles sont définies en divisant l'espace des phases en deux moitiés basées sur l'inégalité $m^2(K^0_S \pi^+) \gtrless m^2(K^0_S \pi^-)$, permettant ainsi de séparer les contributions CP-paire et CP-impaire au sein du système $K_{res}$.

Principales contributions

1. Mesure combinée : Ce travail fournit la première mesure combinée des asymétries de CP dépendantes du temps dans $B^0 \to K^0_S \pi^+ \pi^- \gamma$ utilisant l'ensemble complet des données de Belle et l'ensemble de données Belle II collecté jusqu'en 2022.
2. Nouvelles observables : L'article rapporte la première mesure des observables de CP $S_+$ et $S_-$, qui sont proposées pour contraindre la polarisation du photon et les coefficients de Wilson ($C_7, C'_7$) lorsqu'elles sont combinées avec les paramètres d'analyse d'amplitude du mode partenaire d'isospin.
3. Validation : La stratégie d'analyse est validée à l'aide d'échantillons de Monte Carlo simulés et du mode de contrôle $B^+ \to K^+ \pi^+ \pi^- \gamma$, confirmant l'absence de biais significatifs dans l'extraction des paramètres de CP.

Résultats
Les valeurs mesurées pour les ensembles de données combinés (incertitude statistique en premier, systématique en second) sont :

• $C = -0,17 \pm 0,09 \pm 0,04$
• $S = -0,29 \pm 0,11 \pm 0,05$
• $S_+ = -0,57 \pm 0,23 \pm 0,10$
• $S_- = 0,31 \pm 0,24 \pm 0,05$

Les résultats pour $S$, $C$ et $S_+$ sont cohérents avec la prédiction du Modèle Standard à $1\sigma$ (Belle) et $2,3\sigma$ (Belle II). La valeur de $S_-$ montre une légère tension ($2,2\sigma$) mais reste compatible avec la prédiction du MS qui est de zéro. Les corrélations entre les paramètres sont prises en compte dans la combinaison.

Signification
Les auteurs affirment que cette mesure combinée améliore les incertitudes sur les observables de CP $S$ et $C$ d'au moins un facteur deux par rapport aux mesures précédentes des collaborations Belle et BaBar. Le résultat supplante l'asymétrie de CP induite par le mélange effective ($S_{eff}$) présentée dans les travaux antérieurs. De plus, la mesure de $S_+$ et $S_-$ fournit de nouvelles contraintes pour les modèles de nouvelle physique qui augmentent les courants droits, offrant une image plus complète de la polarisation du photon dans les transitions $b \to s\gamma$. L'article ne revendique pas la découverte d'une nouvelle physique mais établit des contraintes plus strictes sur le MS et les contributions potentielles de la physique au-delà du Modèle Standard (BSM).