Searches for $B^0\to K^+\pi^-\tau^+\tau^-$ and $B_s^0\to K^+K^-\tau^+\tau^-$ decays

En utilisant 5,4 fb$^{-1}$ de données de collisions LHCb, les premières recherches des désintégrations $B^0\to K^+\pi^-\tau^+\tau^-$ et $B_s^0\to K^+K^-\tau^+\tau^-$ ont été menées, aboutissant à l'absence de signal observé et à l'établissement de nouvelles limites supérieures sur leurs fractions d'embranchement, incluant une amélioration d'un facteur dix par rapport à la meilleure limite précédente pour $B^0\to K^*(892)^0\tau^+\tau^-$.

L'essentiel

Imaginez l'univers comme une gigantesque piste de course à très haute vitesse où de minuscules particules appelées « mésons B » filent à toute allure. Habituellement, ces particules se désintègrent (se désagrègent) de manière très prévisible, suivant le code de règles de la physique connu sous le nom de Modèle Standard. Cependant, les scientifiques ont remarqué que parfois ces particules semblent enfreindre les règles, laissant entendre qu'il pourrait y avoir un « fantôme » ou un « nouveau joueur » dans le jeu que nous n'avons pas encore vu.

Ce document issu de l'expérience LHCb au CERN est comme une histoire à suspense à hauts enjeux. Les détectives recherchent un type de « rupture » très spécifique, rare et suspect impliquant une particule appelée lepton tau (un cousin lourd de l'électron).

Voici le déroulement de leur enquête en termes simples :

1. Le Mystère : Pourquoi chercher des leptons tau ?

Dans le passé, les scientifiques ont remarqué que les mésons B se désintègrent parfois en muons (un autre type de particule) d'une manière qui ne correspond pas tout à fait au code de règles. Parallèlement, d'autres expériences ont montré que les leptons tau se comportent différemment des muons dans certaines désintégrations. Cela suggère que de la « Nouvelle Physique » (quelque chose au-delà de notre compréhension actuelle) pourrait augmenter le nombre de leptons tau produits lors de ces désintégrations.

Les scientifiques voulaient voir s'ils pouvaient surprendre un méson B se désintégrant en une paire de leptons tau ($\tau^+\tau^-$) ainsi qu'en une paire d'autres particules (soit un kaon et un pion, soit deux kaons). S'ils trouvaient que cela se produisait plus souvent que ce que prédit le Modèle Standard, ce serait une preuve irréfutable de nouvelle physique.

2. L'Enquête : Comment ils ont cherché

L'équipe du LHCb a agi comme un immense tamis, criblant 5,4 billions (5,4 fb⁻¹) de collisions proton-proton.

• Le Défi : Les leptons tau sont traîtres. Ils vivent une fraction de seconde puis se transforment en autre chose. On ne peut pas les voir directement. Pour les trouver, les scientifiques ont recherché une « signature » spécifique : le tau se transformant en un muon (qui est facile à repérer) plus certaines particules invisibles (des neutrinos) qui s'envolent sans être détectées.
• La Stratégie : Ils ont examiné deux « scènes de crime » spécifiques :
  1. Un méson B se transformant en un Kaon, un Pion et deux Taus.
  2. Un méson B se transformant en deux Kaons et deux Taus.
• Le Filtre : Comme il y a tant de « bruit » (événements de fond qui ressemblent mais ne sont pas le vrai produit), l'équipe a utilisé un algorithme informatique ultra-intelligent (appelé Arbre de Décision Boosté) pour agir comme un videur. Ce videur vérifie la trajectoire, la vitesse et la forme de l'événement pour décider : « Est-ce le signal rare que nous cherchons, ou simplement du bruit aléatoire ? »

3. Les Résultats : Le « Fantôme » reste insaisissable

Après avoir criblé toutes ces données, les détectives n'ont trouvé aucune preuve des désintégrations suspectes. Ils n'ont pas vu le « fantôme » de la Nouvelle Physique se cachant dans les leptons tau.

• Le Verdict : Puisqu'ils n'ont pas trouvé le signal, ils ont établi une « limite supérieure ». Pensez-y comme en disant : « Si le fantôme est là, il se cache si bien qu'il ne peut pas représenter plus de 1 événement sur 10 000 de ceux-ci. »
• L'Amélioration : Pour un type spécifique de désintégration (impliquant une résonance appelée $K^*$), cette nouvelle limite est 10 fois meilleure (plus stricte) que le précédent meilleur record. C'est comme passer d'une caméra de sécurité floue à une caméra haute définition ; même avec la meilleure caméra, ils n'ont toujours pas vu l'intrus, mais maintenant ils savent avec certitude que l'intrus ne rôde pas à cet endroit précis.

4. Pourquoi cela compte (même sans rien trouver)

En science, un « résultat nul » (ne rien trouver) est toujours une victoire majeure.

• Éliminer les suspects : En prouvant que ces désintégrations ne se produisent pas aussi souvent que certaines théories de « Nouvelle Physique » le prévoyaient, les scientifiques éliminent efficacement ces théories de la liste des suspects.
• Fixer la barre : Ils ont établi une nouvelle norme plus stricte. Toute théorie future sur le fonctionnement de l'univers devra maintenant expliquer pourquoi ces désintégrations sont aussi rares.

Analogie de Résumé

Imaginez que vous cherchez un type spécifique et rare de pièce d'or dans un immense tas de sable. Vous avez un détecteur de métaux dix fois plus sensible que n'importe quel précédent. Vous scannez tout le tas. Vous ne trouvez pas la pièce d'or.

Cela signifie-t-il que la pièce n'existe pas ? Pas nécessairement. Mais cela signifie :

1. Si la pièce est là, elle est incroyablement rare (plus rare que nous ne le pensions).
2. Toute histoire affirmant que la pièce était commune est désormais prouvée fausse.
3. Vous avez prouvé que votre détecteur de métaux fonctionne mieux que celui de quiconque.

Ce document est le rapport disant : « Nous avons utilisé notre détecteur super-sensible, nous n'avons pas trouvé les pièces d'or de leptons tau, et nous avons maintenant établi une nouvelle limite plus stricte sur le nombre qui pourraient se cacher dans le sable. »

Résumé technique

Résumé technique : Recherches de désintégrations $B^0 \to K^+\pi^-\tau^+\tau^-$ et $B^0_s \to K^+K^-\tau^+\tau^-$

Problème et motivation
Au cours de la dernière décennie, les analyses de désintégrations à courant neutre changeant de saveur (FCNC) impliquant la transition au niveau des quarks $b \to s\mu^+\mu^-$ ont révélé des écarts cohérents par rapport aux prédictions du Modèle standard (MS). Parallèlement, les mesures des rapports de fractions de branchement dans les désintégrations $b \to c\ell^-\nu_\ell$ d'ordre arbre, spécifiquement $R(D^{(*)})$, ont montré des déviations par rapport à l'universalité de la saveur leptonique. Les modèles de physique au-delà du Modèle standard (BSM) proposés pour expliquer ces anomalies prédisent souvent des augmentations de plusieurs ordres de grandeur dans les fractions de branchement des transitions FCNC $b \to s\tau^+\tau^-$. Alors que les prédictions du MS pour des désintégrations telles que $B^0 \to K^{*0}\tau^+\tau^-$ et $B^0_s \to \phi\tau^+\tau^-$ sont de l'ordre de $10^{-7}$, les scénarios BSM compatibles avec les résultats actuels de $R(D^{(*)})$ pourraient produire des fractions de branchement de l'ordre de $10^{-5}$. Les recherches précédentes sur ces modes ont abouti à des limites supérieures de l'ordre de $10^{-3}$, laissant un écart significatif pour l'exploration expérimentale. Cet article présente les premières recherches des désintégrations $B^0 \to K^+\pi^-\tau^+\tau^-$ et $B^0_s \to K^+K^-\tau^+\tau^-$ à l'expérience LHCb.

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions $pp$ correspondant à une luminosité intégrée de $5,4 \text{ fb}^{-1}$ collectées par le détecteur LHCb au cours de la période 2016–2018. Les leptons tau sont reconstruits via la désintégration $\tau^+ \to \mu^+\nu_\mu\nu_\tau$. La stratégie d'analyse emploie une technique de reconstruction partielle où le vertex de désintégration de la $B^0_{(s)}$ est déterminé à partir de l'intersection des deux traces d'hadrons chargés ($K^+\pi^-$ ou $K^+K^-$), tandis que le vertex de désintégration du tau est déduit de l'intersection des deux traces de muons.

Les composants méthodologiques clés incluent :

• Sélection d'événements : Les candidats doivent présenter un vertex secondaire significativement décalé par rapport au vertex d'interaction primaire (PV). La direction de vol du tau est supposée s'aligner avec l'hadron $b$, exigeant que le vertex du muon soit en aval du vertex de l'hadron.
• Suppression du bruit de fond : Les bruits de fond importants provenant de désintégrations en cascade semi-leptoniques (par exemple, $B^0_{(s)} \to D^-_s(\to h^+_1 h^-_2 \mu^- \nu_\mu)\mu^+ \nu_\mu$) sont rejetés en exigeant que la masse reconstruite $h^+_1 h^-_2 \mu^-$ dépasse la masse connue de la $D^-_s$. Les désintégrations impliquant des résonances $D^{(*)}D^{(*)}$ sont supprimées à l'aide des variables de masse manquante au carré ($m^2_{\text{miss}}$) et de $q^2$ reconstruit.
• Analyse multivariée : Un classificateur d'arbres de décision boostés (BDT) multiclasse, implémenté à l'aide du package lightgbm, discrimine entre le signal, le bruit de fond combinatoire et le bruit de fond de cascade semi-leptonique. Les BDT sont entraînés séparément pour chaque état final et chaque bin de masse di-hadron, utilisant des caractéristiques telles que la distance de vol reconstruite du tau et l'isolation des traces.
• Extraction du signal : En raison de la présence de quatre neutrinos non reconstruits, aucune variable de masse appropriée n'existe pour un ajustement direct. Au lieu de cela, les rendements de signal sont extraits à partir d'ajustements de vraisemblance maximale étendue non binnés de la distribution de sortie du classificateur BDT pour les candidats sélectionnés dans la catégorie de signal. Les formes des composantes d'ajustement sont modélisées à l'aide d'estimations de densité de noyau gaussiennes (KDE).
• Normalisation : Les fractions de branchement sont calculées par rapport aux modes de normalisation $B^0 \to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)K^{*0}(\to K^+\pi^-)$ et $B^0_s \to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\phi(\to K^+K^-)$, qui partagent des états finaux identiques et de grandes fractions de branchement bien établies.

Contributions et résultats clés
L'analyse est effectuée par bins de la masse invariante di-hadron ($K^+\pi^-$ ou $K^+K^-$) pour tenir compte des contributions résonantes et non résonantes. Aucun signal significatif n'est observé dans aucun bin. Par conséquent, des limites supérieures sur les fractions de branchement sont établies en utilisant la méthode $CL_s$.

• $B^0 \to K^+\pi^-\tau^+\tau^-$ : L'étude établit les premières limites supérieures pour cette désintégration en dehors de la région de la $K^*(892)^0$. Dans le bin contenant la résonance $K^*(892)^0$ ($792 < m_{K^+\pi^-} < 992 \text{ MeV}/c^2$), le résultat est réinterprété comme une limite sur $B^0 \to K^{*0}\tau^+\tau^-$. La limite supérieure au niveau de confiance de 95 % (CL) est de $2,8 \times 10^{-4}$, améliorant la meilleure limite actuelle (de Belle II) d'un ordre de grandeur.
• $B^0_s \to K^+K^-\tau^+\tau^-$ : Cela représente la première recherche pour ce mode de désintégration. La limite supérieure à 95 % de CL dans le bin contenant la résonance $\phi(1020)$ ($980 < m_{K^+K^-} < 1060 \text{ MeV}/c^2$) est de $4,7 \times 10^{-4}$.
• Contraintes BSM : En interprétant les résultats dans le cadre d'une théorie effective faible, des limites sont établies sur le décalage $\Delta$ des coefficients de Wilson $C_9^{\tau\tau}$ et $C_{10}^{\tau\tau}$. Les contraintes résultantes sur $\Delta^2$ sont plus strictes que les contraintes précédentes dérivées des effets de diffusion élastique $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ d'un facteur supérieur à trois.

Signification
L'article rapporte les premières limites expérimentales sur les désintégrations $B^0 \to K^+\pi^-\tau^+\tau^-$ en dehors de la région de masse de la $K^*(892)^0$ et les premières limites sur les désintégrations $B^0_s \to K^+K^-\tau^+\tau^-$. L'amélioration de la limite sur $B^0 \to K^{*0}\tau^+\tau^-$ d'un ordre de grandeur resserre considérablement les contraintes sur les modèles BSM qui prédisent de fortes augmentations dans les transitions $b \to s\tau^+\tau^-$ pour expliquer les anomalies $R(D^{(*)})$. Les auteurs déclarent que ces résultats annoncent un programme complet de recherches $b \to s\tau^+\tau^-$ au LHCb, qui remettra davantage en question les modèles de nouvelle physique avec les données des runs LHC en cours.