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Measurement of the ratio of the B $_\mathrm{c}^+$ $\to$ J/ $\psi$ $\tau^+\nu_\tau$ and B $_\mathrm{c}^+$ $\to$ J/ $\psi$ $\mu^+\nu_\mu$ branching fractions using three-prong $\tau$ lepton decays

En utilisant des données de collisions proton-proton collectées par l'expérience CMS à 13 TeV, cette étude mesure le rapport des fractions de branchement de $B_c^+ \to J/\psi \tau^+\nu_\tau$ sur $B_c^+ \to J/\psi \mu^+\nu_\mu$ via des désintégrations de $\tau$ à trois corps, trouvant un résultat combiné cohérent avec la prédiction du Modèle Standard et ne fournissant aucune preuve de violation de l'universalité du doublet de saveur leptonique.

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Publié 2026-06-16

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

La vue d'ensemble : Un tir à la corde cosmique

Imaginez que l'univers possède un ensemble de règles strictes appelées le Modèle Standard. Considérez ce livre de règles comme le règlement d'un jeu de société très complexe. L'une des règles les plus importantes de ce jeu est l'Universalité du goût des leptons.

En langage clair, cette règle dit : « Les particules lourdes (comme le Tau) et les particules légères (comme le Muon) doivent se comporter exactement de la même manière, simplement à l'échelle de leur poids. » C'est comme dire que si vous lâchez une boule de bowling et une balle de tennis dans le vide, elles doivent tomber exactement à la même vitesse. Si la boule de bowling tombait soudainement plus lentement ou plus vite que la balle de tennis, cela signifierait qu'il existe une force cachée ou une nouvelle règle que nous ne connaissons pas encore.

Ce document est un bulletin de notes de l'expérience CMS au CERN (le Grand collisionneur de hadrons), vérifiant si les « boules de bowling » (les Taus) et les « balles de tennis » (les Muons) jouent équitablement.

L'expérience : Capturer une désintégration rare

Les scientifiques étudient une particule spécifique appelée le méson $B_c^+$ . Vous pouvez considérer cette particule comme un « parent » très instable et de courte durée de vie qui adore se briser.

Lorsqu'elle se brise, elle produit généralement :

Une particule $J/\psi$ (qui se transforme rapidement en deux muons, comme une paire de jumeaux).
Un neutrino (une particule fantôme invisible).
Soit un Muon (la particule légère), SOIT un Tau (la particule lourde).

Les scientifiques veulent mesurer le rapport : à quelle fréquence le parent choisit-il le Tau lourd par rapport au Muon léger ?

La Prédiction : Le livre de règles du Modèle Standard dit que le Tau devrait être choisi environ 26 % aussi souvent que le Muon (parce qu'il est plus lourd et plus difficile à produire).
Le Mystère : Une autre équipe (LHCb) a précédemment trouvé un rapport de 71 %, ce qui est bien plus élevé que ce que prédit le livre de règles. Cela suggérait que les règles pourraient être brisées.

La Nouvelle Méthode : Un travail de détective en « trois branches »

Dans ce nouvel article, l'équipe CMS a examiné les données de 2016 à 2018 (une quantité massive de données, équivalente à 138 « femtobarns inverses » — une unité de volume de collision).

Ils se sont concentrés sur une manière spécifique dont la particule Tau se désintègre.

L'ancienne méthode : Ils cherchaient des Taus qui se transformaient en un Muon (comme un caméléon).
La nouvelle méthode : Ils ont cherché des Taus qui se transformaient en trois pions chargés (trois petites particules s'échappant de la collision). C'est ce qu'on appelle une désintégration à « trois branches » (three-prong).

L'analogie :
Imaginez que vous essayez de trouver un type d'oiseau rare dans une forêt.

Les Muons sont faciles à repérer ; ils sont comme des perroquets rouges éclatants.
Les Taus sont timides. Parfois, ils se transforment en un perroquet rouge (l'ancienne méthode), mais parfois, ils se transforment en un groupe de trois geais bleus (la nouvelle méthode à « trois branches »).
La forêt est pleine d'autres oiseaux (bruit de fond) qui ressemblent à des geais bleus.

L'équipe CMS a construit un filtre sophistiqué pour « l'observation des oiseaux » (un algorithme informatique appelé Arbre de décision boosté ou BDT). Ce filtre examine les trajectoires de vol, la vitesse et la direction des oiseaux pour séparer les vrais Taus « trois-geais-bleus » des faux.

Les Résultats : Les règles tiennent bon

Après avoir passé au crible des millions de collisions et utilisé leur filtre de haute technologie, les scientifiques ont comptabilisé les résultats :

Le Rapport Brut : En regardant uniquement la méthode des « trois branches » (trois geais bleus), le rapport obtenu est de 1,04. Cela semble étrangement élevé ! Cela suggère que le lourd Tau est choisi aussi souvent que le léger Muon.
Le Résultat Combiné : Cependant, la science consiste à vérifier son travail. L'équipe a combiné ce nouveau résultat des « trois branches » avec leur précédent résultat de « perroquet rouge » (leptonique).
Le Verdict Final : En mettant les deux méthodes ensemble, le rapport final était de 0,49.

Qu'est-ce que cela signifie ?

Le Modèle Standard prédisait 0,258.
L'équipe LHCb avait précédemment trouvé 0,71 (ce qui était suspect).
L'équipe CMS a trouvé 0,49.

Bien que 0,49 soit plus élevé que la prédiction, « l'incertitude » (la marge d'erreur) est assez grande. Le résultat est cohérent avec le Modèle Standard. En d'autres termes, les données ne sont pas assez précises pour dire que les règles sont brisées. C'est comme mesurer le temps d'un coureur et obtenir « quelque part entre 9 et 11 secondes ». Le livre de règles dit qu'il devrait courir en 9,5 secondes. Votre mesure inclut 9,5, donc vous ne pouvez pas encore affirmer qu'il a battu le record.

La Conclusion

L'article conclut qu'aucune preuve de « violation de l'universalité du goût des leptons » n'a été trouvée.

Pour utiliser une dernière métaphore : l'univers est comme une horloge géante et de précision. Certains pensaient avoir entendu un « tic » qui n'était pas en rythme (le résultat de LHCb). Ce nouvel article est une autre personne écoutant l'horloge avec une oreille différente (la méthode des trois branches). Ils ont entendu un rythme légèrement différent, mais en combinant leurs oreilles, l'horloge semble toujours battre selon la conception originale.

Le Modèle Standard reste la meilleure description que nous ayons, et les particules « lourdes » et « légères » respectent toujours les mêmes règles, dans les limites de nos outils de mesure actuels.

Résumé technique : Mesure du rapport de fraction de désintégration des $B_c^+ \to J/\psi \tau^+ \nu_\tau$ et $B_c^+ \to J/\psi \mu^+ \nu_\mu$

Problème et motivation
Le Modèle Standard (MS) décrit les processus physiques jusqu'à l'échelle électrofaible, la l'universalité du goût leptonique (LFU) émergeant comme une conséquence de la structure du modèle plutôt que comme un principe sous-jacent. Bien que les couplages de Yukawa soient la seule source de violation de la LFU dans le MS, les mesures actuelles pour les deuxième et troisième générations de leptons sont en accord avec les prédictions du MS. Cependant, les observations d'une potentielle violation de la LFU dans les désintégrations de mésons $B$ signaleraient une physique au-delà du MS.

Une tension spécifique existe dans le rapport $R_{J/\psi} = \mathcal{B}(B_c^+ \to J/\psi \tau^+ \nu_\tau) / \mathcal{B}(B_c^+ \to J/\psi \mu^+ \nu_\mu)$ . La collaboration LHCb a précédemment mesuré ce rapport en utilisant le canal de désintégration leptonique du $\tau$ ( $\tau^+ \to \mu^+ \nu_\mu \nu_\tau$ ), obtenant une valeur de $0,71 \pm 0,17 \text{ (stat)} \pm 0,18 \text{ (syst)}$ , ce qui dépasse la prédiction du MS de $0,258 \pm 0,004$ d'environ deux écarts-types. La collaboration CMS a précédemment mesuré ce rapport dans le même état final en utilisant les données de 2018, trouvant un résultat cohérent avec le MS mais avec de grandes incertitudes. Ce document présente une mesure complémentaire utilisant le canal de désintégration hadronique à trois traces du $\tau$ ( $\tau^+ \to \pi^+ \pi^- \pi^+ \nu_\tau$ ) pour tester la LFU dans les désintégrations de $B_c^+$ et combiner les résultats avec l'analyse leptonique précédente.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur CMS à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV lors des runs 2016–2018, correspondant à une luminosité intégrée de $138 \text{ fb}^{-1}$ .

Sélection des événements : Les événements de signal sont reconstruits via la chaîne de désintégration $B_c^+ \to J/\psi (\to \mu^+ \mu^-) \tau^+ \nu_\tau$ , où le $\tau^+$ se désintègre hadroniquement en trois pions chargés ( $\tau_{had}^+$ ). Le candidat $J/\psi$ est formé par deux muons de charges opposées avec un impulsion transverse spécifique ( $p_T > 4$ GeV) et des contraintes de masse invariante. Le candidat $\tau_{had}^+$ est reconstruit comme un triplet d'hadrons chargés (pions) avec une charge nette de $\pm 1$ , formant un sommet déplacé.
Suppression du bruit de fond : Le bruit de fond dominant provient des désintégrations inclusives de mésons $B$ produisant un $J/\psi$ et des traces additionnelles. Un classificateur par arbre de décision boosté (BDT) (Boosted Decision Tree), entraîné avec l'algorithme XGBoost, est employé pour séparer le signal du bruit de fond. Le BDT utilise 18 variables cinématiques et topologiques. Deux régions de signal (SR) et des régions de côté (SB) sont définies basées sur le score de sortie du BDT ($sBDT$) afin d'optimiser la significativité du signal tout en contrôlant la contamination par le bruit de fond.
Extraction du signal : Le rendement du signal est extrait à l'aide d'un ajustement de vraisemblance maximale avec l'outil COMBINE. L'ajustement utilise la distribution bidimensionnelle « déroulée » des masses invariantes des deux paires possibles de $\rho(770)^0 \to \pi^+ \pi^-$ ( $m(\rho_1)$ vs $m(\rho_2)$ ) au sein du candidat $\tau_{had}^+$ . Les désintégrations de $\tau$ authentiques présentent un pic distinct dans ces distributions de masse par rapport aux événements de bruit de fond.
Normalisation et systématiques : La mesure repose sur le rendement de $B_c^+ \to J/\psi \mu^+ \nu_\mu$ (issu d'une analyse leptonique séparée du $\tau$ utilisant les données de 2018) comme dénominateur. Les incertitudes systématiques sont traitées comme des paramètres de nuisance dans l'ajustement. Les sources clés incluent la modélisation des facteurs de forme du $B_c^+$ (utilisant le cadre HAMMER), le modèle TAUOLA pour les désintégrations de $\tau$ , les effets de pileup, et la normalisation des processus de bruit de fond $B_c^+ \to J/\psi D_s^{(*)+}$ et autres processus $B_c^+$ . Le bruit de fond provenant des processus non- $B_c^+$ $H_b \to J/\psi X$ est estimé directement à partir des données dans les régions de côté et extrapolé vers la région de signal en utilisant des facteurs dérivés de simulations.

Contributions clés

Première mesure du $\tau$ hadronique : Ce travail fournit la première mesure de $R_{J/\psi}$ utilisant le mode de désintégration du $\tau$ hadronique à trois traces dans les désintégrations de $B_c^+$ au LHC.
Analyse combinée : Le résultat est combiné avec la mesure CMS précédente basée sur le canal de désintégration leptonique du $\tau$ pour fournir une détermination plus précise de $R_{J/\psi}$ .
Traitement systématique complet : L'analyse inclut une évaluation détaillée des incertitudes systématiques, particulièrement celles liées à l'extrapolation des bruits de fond basés sur les données et à la modélisation de la dynamique de désintégration du $B_c^+$ .

Résultats

Canal hadronique : Le rapport de fractions de désintégration mesuré dans le mode de désintégration du $\tau$ hadronique est $R_{had}^{J/\psi} = 1,04^{+0,50}_{-0,44}$ .
Résultat combiné : En combinant le résultat hadronique avec l'analyse leptonique du $\tau$ précédente, on obtient le rapport final de :
$R_{J/\psi} = 0,49 \pm 0,26$
(où l'incertitude inclut les composantes statistique, systématique et théorique).
Cohérence : Le résultat combiné est cohérent avec la prédiction du Modèle Standard de $0,258 \pm 0,004$ . L'article note que le résultat est également compatible avec la mesure leptonique CMS précédente ( $0,17 \pm 0,33$ ) et le résultat de LHCb, bien que la valeur centrale de LHCb reste plus élevée.

Signification
L'article conclut qu'aucune preuve de violation de l'universalité du goût leptonique n'est trouvée dans cette mesure. Le résultat, $R_{J/\psi} = 0,49 \pm 0,26$ , est cohérent avec la prédiction du MS compte tenu des incertitudes expérimentales actuelles. Cette mesure représente une étape significative dans le test de la LFU dans les désintégrations de $B_c^+$ en utilisant une topologie de désintégration distincte ( $\tau$ hadronique) pour croiser les résultats précédents et réduire les dépendances de modèle associées à des canaux de désintégration spécifiques. Les auteurs soulignent que bien que le résultat soit cohérent avec le MS, les incertitudes restent suffisamment grandes pour qu'un ensemble de données supplémentaires soit nécessaire pour confirmer ou infirmer définitivement la tension observée dans les mesures précédentes de LHCb.

La vue d'ensemble : Un tir à la corde cosmique

L'expérience : Capturer une désintégration rare

La Nouvelle Méthode : Un travail de détective en « trois branches »

Les Résultats : Les règles tiennent bon

La Conclusion

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