Improved measurement of Born cross sections for $\chi_{bJ}\,\omega$ and $\chi_{bJ}\,(\pi^+\pi^-\pi^0)_{\rm non-\omega}$ ($J$ = 0, 1, 2) at Belle and Belle II

En analysant des données des détecteurs Belle et Belle II, cette étude mesure les sections efficaces de production des états $\chi_{bJ}\,\omega$ et $\chi_{bJ}\,(\pi^+\pi^-\pi^0)_{\rm non-\omega}$, révélant que le $\Upsilon(10753)$ se désintègre exclusivement en $\chi_{bJ}\,\omega$ tandis que le $\Upsilon(10860)$ ne se désintègre que dans le canal non-$\omega$, tout en déterminant avec précision la masse, la largeur et les produits de largeur partielle du $\Upsilon(10753)$.

L'essentiel

🕵️‍♂️ L'Enquête : Chasse aux "Fantômes" de la Matière

Imaginez que l'univers est rempli de Lego géants. Les physiciens du monde entier essaient de comprendre comment ces Lego s'assemblent pour former la matière. Dans ce casse-tête, il y a une pièce très spéciale : le quark "bottom" (ou beauté). C'est un bloc de construction lourd et mystérieux.

Les chercheurs du projet Belle et Belle II (deux équipes de détectives travaillant au Japon) ont construit un immense microscope, un accélérateur de particules, pour faire entrer en collision des électrons et des positrons (des anti-électrons) à des vitesses folles. Le but ? Créer des états excités de quarks bottom, qu'ils appellent des Υ (Upsilons), un peu comme faire vibrer une corde de guitare pour entendre différentes notes.

🎹 Le Problème : Trois Notes, Deux Mystères

Dans cette "symphonie" de particules, les scientifiques s'attendaient à entendre trois notes principales (trois états d'énergie) :

1. L'Υ(10753) : Une note grave.
2. L'Υ(10860) : Une note moyenne.
3. L'Υ(11020) : Une note aiguë.

Le problème, c'est que ces notes ne se comportent pas comme prévu. Les physiciens voulaient savoir : "Comment ces notes résonnent-elles ?" Autrement dit, quand ces particules lourdes se désintègrent, en quoi se transforment-elles ?

Pour répondre, ils ont regardé deux types de transformations (deux "familles" de produits finis) :

• Famille A (Le "ω") : Une transformation qui produit un méson oméga (une sorte de particule en forme de ballon).
• Famille B (Le "non-ω") : Une transformation qui produit trois pions (trois petites billes) qui ne forment pas un oméga.

🔍 La Découverte : Le Jeu de l'Oie Inverse

C'est ici que l'histoire devient fascinante. Les chercheurs ont découvert un comportement inversé totalement inattendu, comme si deux jumeaux avaient des goûts alimentaires opposés.

1. Le Casse-tête de l'Υ(10753) :
   Imaginez que l'Υ(10753) est un chef cuisinier très pointilleux. Quand il se transforme, il adore préparer le plat de la "Famille A" (avec l'oméga). Il en fait des tonnes ! Mais quand on lui demande de faire le plat de la "Famille B" (les trois billes), il dit : "Non, je ne sais pas cuisiner ça." Il ne produit aucun résultat dans cette catégorie.

2. Le Casse-tête de l'Υ(10860) :
   À l'inverse, l'Υ(10860) est un autre chef. Lui, il déteste le plat de la "Famille A". Il ne produit rien avec l'oméga. Par contre, il est un expert pour préparer le plat de la "Famille B" (les trois billes). C'est sa spécialité !

En résumé :

• L'Υ(10753) = Expert en "Oméga", nul en "Trois billes".
• L'Υ(10860) = Nul en "Oméga", expert en "Trois billes".

🧩 Pourquoi est-ce important ?

C'est comme si vous aviez deux voitures qui semblent identiques à l'extérieur (elles ont la même couleur, la même forme, et sont faites du même métal), mais qui réagissent totalement différemment quand vous appuyez sur l'accélérateur.

• Si elles étaient faites exactement de la même manière (des "briques" standard), elles devraient réagir de la même façon.
• Le fait qu'elles réagissent de manière opposée suggère que leur structure interne est différente.

Les physiciens pensent que l'Υ(10753) pourrait être une particule "exotique", peut-être un assemblage de quatre quarks (un tétraquark) ou une particule hybride, tandis que l'Υ(10860) se comporte plus comme une particule classique. C'est une preuve que la nature a des façons de construire la matière que nous ne comprenons pas encore totalement.

📊 La Méthode : Un Tri à la Main

Pour arriver à cette conclusion, les chercheurs ont dû trier des montagnes de données (des milliards de collisions).

• Ils ont utilisé des détecteurs géants (Belle et Belle II) pour capturer les débris de ces collisions.
• Ils ont filtré les événements pour ne garder que ceux qui ressemblaient à leurs cibles.
• Ils ont comparé les résultats à différentes énergies (comme changer la vitesse du moteur) pour voir à quel moment les "notes" apparaissaient.

🏁 Conclusion

Cette étude, publiée par les collaborations Belle et Belle II, nous dit que l'univers est plus surprenant que prévu. Deux particules, séparées par une petite différence d'énergie, ont des personnalités de désintégration complètement opposées.

Cela ouvre la porte à de nouvelles théories sur la façon dont la matière est construite. C'est un peu comme découvrir que deux jumeaux, bien que semblables, ont des empreintes digitales totalement différentes, prouvant qu'ils ne sont pas si identiques que ça au fond.

Le mot de la fin : La nature aime les surprises, et les détectives de Belle II viennent de trouver une nouvelle énigme passionnante à résoudre !

Résumé technique

Titre

Mesure améliorée des sections efficaces de Born pour les processus $\chi_{bJ} \omega$ et $\chi_{bJ} (\pi^+\pi^-\pi^0)_{\text{non-}\omega}$ ($J = 0, 1, 2$) aux expériences Belle et Belle II.

1. Problématique et Contexte

Cette étude vise à élucider la nature des états excités du quarkonium bottomonium, spécifiquement le $\Upsilon(10753)$, le $\Upsilon(10860)$ et le $\Upsilon(11020)$. Bien que le $\Upsilon(10753)$ ait été découvert par Belle comme une nouvelle structure dans la section efficace $e^+e^- \to \Upsilon(nS)\pi^+\pi^-$, sa nature physique reste débattue (quarkonium conventionnel, hybride, ou tétraquark).
Le défi principal réside dans la compréhension des modes de désintégration de ces états. Des modèles théoriques prédisent des comportements différents pour les désintégrations impliquant un méson $\omega$ ($\chi_{bJ}\omega$) par rapport à ceux impliquant un système de trois pions non résonant $\omega$ ($\chi_{bJ}(\pi^+\pi^-\pi^0)_{\text{non-}\omega}$). L'objectif est de mesurer avec précision les sections efficaces de Born de ces processus sur une large gamme d'énergies pour déterminer les schémas de désintégration et contraindre les modèles théoriques.

2. Méthodologie

L'analyse combine des données collectées par les détecteurs Belle (au collisionneur KEKB) et Belle II (au collisionneur SuperKEKB).

• Échantillons de données :
  • Belle : 142,5 fb$^{-1}$ collectés à 18 points d'énergie différents entre 10,73 et 11,02 GeV, plus un échantillon à la résonance $\Upsilon(5S)$ (10865,8 MeV, 122 fb$^{-1}$).
  • Belle II : 19,8 fb$^{-1}$ collectés à quatre points d'énergie (10,653, 10,701, 10,745 et 10,805 GeV).
• Chaîne de désintégration reconstruite :
  Les événements sont sélectionnés via la chaîne : $e^+e^- \to \chi_{bJ} \pi^+\pi^-\pi^0$, avec $\chi_{bJ} \to \Upsilon(1S)\gamma$ et $\Upsilon(1S) \to \ell^+\ell^-$ ($\ell = e, \mu$).
  • Le système $\pi^+\pi^-\pi^0$ est séparé en deux catégories : ceux formant un méson $\omega$ (dans la fenêtre de masse $0,75 < M < 0,81$ GeV/$c^2$) et ceux qui ne le forment pas (hors de cette fenêtre).
• Sélection et Ajustements :
  • Des critères de sélection stricts sont appliqués (trajectoires, identification des particules, qualité des ajustements cinématiques).
  • Une ajustement cinématique 6C (contraintes sur l'énergie, l'impulsion et les masses invariantes de $\Upsilon(1S)$ et $\pi^0$) est utilisé, améliorant la résolution de masse de $\Upsilon(1S)\gamma$ d'un facteur 1,9 par rapport aux analyses précédentes.
  • Pour les points d'énergie à haute statistique, des ajustements de vraisemblance maximale non binnés en 2D sont réalisés sur les distributions de masse invariante $M(\Upsilon(1S)\gamma)$ et $M(\pi^+\pi^-\pi^0)$.
  • Pour les points à faible statistique, un comptage d'événements avec des bornes supérieures (méthode POLE) est utilisé.
• Modélisation :
  Les dépendances en énergie des sections efficaces sont ajustées à l'aide d'une somme cohérente d'amplitudes de Breit-Wigner pour les états $\Upsilon(10753)$, $\Upsilon(10860)$ et $\Upsilon(11020)$, en tenant compte des interférences et des facteurs de phase.

3. Contributions Clés

• Séparation des canaux : Première mesure systématique séparant explicitement les contributions $\omega$ et non-$\omega$ dans les désintégrations $\chi_{bJ} \pi^+\pi^-\pi^0$ sur une large gamme d'énergies.
• Amélioration de la calibration : Utilisation d'une calibration précise de l'énergie du centre de masse ($E_{cm}$) disponible récemment pour Belle II, permettant une meilleure résolution et une séparation plus fine des états $\chi_{bJ}(1P)$ et $\chi_{bJ}(2P)$.
• Analyse combinée Belle/Belle II : Combinaison de données historiques (Belle) et de nouvelles données à haute luminosité (Belle II) pour contraindre les paramètres des résonances.

4. Résultats Principaux

A. Découverte de schémas de désintégration distincts

L'étude révèle une séparation nette des modes de désintégration entre les états $\Upsilon(10753)$ et $\Upsilon(10860)$ :

• $\Upsilon(10753)$ : Décroît significativement en $\chi_{bJ} \omega$ (significativité de $6,0\sigma$ pour $J=1$ et $4,1\sigma$ pour $J=2$), mais aucun signal n'est observé pour $\chi_{bJ} (\pi^+\pi^-\pi^0)_{\text{non-}\omega}$.
• $\Upsilon(10860)$ : Décroît significativement en $\chi_{bJ} (\pi^+\pi^-\pi^0)_{\text{non-}\omega}$ (significativité de $4,5\sigma$ pour $J=1,2$ combinés), mais aucun signal n'est observé pour $\chi_{bJ} \omega$.
• $\Upsilon(11020)$ : Montre également une tendance à décroître en $\chi_{bJ} (\pi^+\pi^-\pi^0)_{\text{non-}\omega}$.

B. Mesures de paramètres physiques

• Masse et largeur du $\Upsilon(10753)$ :
  • Masse : $M = (10756,1 \pm 3,4 \text{ (stat)} \pm 2,7 \text{ (syst)})$ MeV/$c^2$.
  • Largeur : $\Gamma = (32,2 \pm 11,3 \text{ (stat)} \pm 14,9 \text{ (syst)})$ MeV.
• Largeurs partielles ($\Gamma_{ee} \times \mathcal{B}$) :
  • Pour $\Upsilon(10753) \to \chi_{b1} \omega$ : $(1,57 \pm 0,27 \pm 0,22)$ eV.
  • Pour $\Upsilon(10753) \to \chi_{b2} \omega$ : $(1,39 \pm 0,41 \pm 0,33)$ eV.
  • Le rapport de branches $\mathcal{B}(\Upsilon(10753) \to \chi_{b1} \omega) / \mathcal{B}(\Upsilon(10753) \to \chi_{b2} \omega) = 1,13 \pm 0,38 \pm 0,34$.

C. Limites supérieures

Des limites supérieures strictes (à 90 % de niveau de confiance) sont établies pour les canaux non observés, par exemple $\Gamma_{ee}\mathcal{B}(\Upsilon(10753) \to \chi_{bJ}(\pi^+\pi^-\pi^0)_{\text{non-}\omega}) < 0,08$ eV.

5. Signification et Implications

• Structure interne différente : Le fait que deux états ayant les mêmes nombres quantiques ($J^{PC} = 1^{--}$) et séparés par seulement 100 MeV ($\Upsilon(10753)$ et $\Upsilon(10860)$) présentent des schémas de désintégration totalement opposés suggère qu'ils possèdent des structures internes différentes. Cela remet en question l'hypothèse qu'ils soient simplement des états radiaux successifs d'un quarkonium conventionnel.
• Rôle des états intermédiaires $Z_b$ : Le motif de désintégration observé pour $\Upsilon(10860)$ et $\Upsilon(11020)$ vers $\chi_{bJ} (\pi^+\pi^-\pi^0)_{\text{non-}\omega}$ est cohérent avec la production via des états intermédiaires chargés $Z_b(10610)$ et $Z_b(10650)$ (c'est-à-dire $\Upsilon \to Z_b \pi \to \chi_{bJ} \rho \pi$). L'absence de ce mode pour le $\Upsilon(10753)$ renforce l'idée que ce dernier pourrait être un état hybride ou un tétraquark différent, ou un état moléculaire avec des propriétés de couplage spécifiques.
• Validation des modèles : Les résultats excluent certains modèles d'états hybrides purs ou de mélanges S-D simples qui prédisaient des rapports de branches différents.

En conclusion, cette analyse fournit des preuves expérimentales solides que le $\Upsilon(10753)$ et le $\Upsilon(10860)$ sont des entités physiques distinctes avec des mécanismes de désintégration fondamentalement différents, offrant des indices cruciaux pour la compréhension de la chromodynamique quantique non perturbative et de la spectroscopie des hadrons exotiques.