Observation of the radiative decay $D_s (2317)^+ \to D_s^* γ$

Résumé technique : Observation de la désintégration radiative $D^*_{s0}(2317)^+ \to D^{*+}_s \gamma$

Problématique et motivation
La nature du méson scalaire charm-strange $D^*_{s0}(2317)^+$ demeure une question non résolue importante en physique des particules. Sa masse est nettement inférieure aux prédictions du modèle de quarks conventionnel pour les mésons $c\bar{s}$ avec $J^P=0^+$, ce qui conduit à diverses propositions théoriques concernant sa structure interne. Celles-ci incluent des états moléculaires ($DK$), des configurations de tetraquarks, des états mixtes ou des configurations $c\bar{s}$ conventionnelles. Bien que la désintégration forte à violation d'isospin $D^*_{s0}(2317)^+ \to D^+_s \pi^0$ ait été bien étudiée, le canal de désintégration radiative $D^*_{s0}(2317)^+ \to D^{*+}_s \gamma$ n'avait pas été observé malgré les recherches antérieures de CLEO, Belle et BaBar. Le rapport de fraction de branchement $R = \mathcal{B}(D^*_{s0}(2317)^+ \to D^{*+}_s \gamma) / \mathcal{B}(D^*_{s0}(2317)^+ \to D^+_s \pi^0)$ est un observable critique car les modèles théoriques prédisent des plages distinctes pour ce rapport : les interprétations moléculaires suggèrent une plage de 0,5 % à 4,25 %, tandis que les configurations $c\bar{s}$ conventionnelles prédisent des valeurs supérieures à 8,1 %.

Méthodologie
L'analyse utilise des échantillons de données combinés des expériences Belle et Belle II collectés aux collisionneurs d'électrons-positrons asymétriques en énergie KEKB et SuperKEKB. La luminosité intégrée totale est de 980,4 fb$^{-1}$ (Belle) et 427,9 fb$^{-1}$ (Belle II), collectées dans le processus de continuum $e^+e^- \to c\bar{c}$ à des énergies de centre de masse proches des résonances $\Upsilon(nS)$.

• Reconstruction du signal : La chaîne de désintégration du signal est $D^*_{s0}(2317)^+ \to D^{*+}_s \gamma_1$, suivie de $D^{*+}_s \to D^+_s \gamma_2$. Le méson $D^+_s$ est reconstruit via les modes de désintégration $\phi\pi^+$ et $K^+\bar{K}^{*0}$, aboutissant tous deux à un état final $K^+K^-\pi^+$.
• Canal de référence : La désintégration hadronique $D^*_{s0}(2317)^+ \to D^+_s \pi^0$ sert de canal de référence pour annuler les incertitudes systématiques liées à la sélection des $D^+_s$ et des photons.
• Critères de sélection :
  • Les traces chargées doivent avoir des paramètres d'impact $d_r < 0,5$ cm et $|d_z| < 3,0$ cm.
  • L'identification des particules (PID) utilise des rapports de vraisemblance pour distinguer les kaons des pions.
  • Les photons sont sélectionnés avec une énergie $> 0,10$ GeV dans le référentiel du centre de masse (c.m.). Pour le signal, le photon prompt ($\gamma_1$) doit avoir une énergie $> 0,22$ GeV.
  • Pour supprimer le bruit de fond $D^*_{s0}(2317)^+ \to D^+_s \pi^0$ dans l'échantillon de signal, la masse invariante des deux photons ($M_{\gamma_1\gamma_2}$) doit être en dehors de la fenêtre de masse du $\pi^0$ $[0,10, 0,16]$ GeV/$c^2$.
  • Une coupure sur le moment réduit $x_p > 0,7$ est appliquée pour supprimer le bruit de fond combinatoire et éliminer les candidats $D^*_{s0}(2317)^+$ provenant des désintégrations de mésons $B$.
• Stratégie d'analyse :
  • Une stratégie d'analyse en aveugle (blind analysis) a été employée ; la région de signal ($2,29 < M(D^{*+}_s \gamma) < 2,34$ GeV/$c^2$) n'a pas été examinée avant la finalisation de la procédure d'analyse.
  • Les rendements du signal pour le canal de référence ($D^+_s \pi^0$) ont été extraits à l'aide d'ajustements de maximum de vraisemblance étendus non binaires sur le spectre $M(D^+_s \pi^0)$.
  • Le rapport de fraction de branchement $R$ a été déterminé via un ajustement simultané de maximum de vraisemblance étendu non binaire aux spectres $M(D^{*+}_s \gamma)$ des ensembles de données Belle et Belle II.
  • Les incertitudes systématiques ont été évaluées en faisant varier les modèles d'ajustement, les paramétrisations du bruit de fond, les fonctions de résolution et les schémas de repondération pour la distribution $x_p$ et les corrélations angulaires des photons.

Contributions clés et résultats

• Première observation : L'article rapporte la première observation de la désintégration radiative $D^*_{s0}(2317)^+ \to D^{*+}_s \gamma$ avec une signification statistique dépassant 10 écarts-types ($10,1\sigma$).
• Rapport mesuré : Le rapport de fraction de branchement est mesuré à :
  $$R = [7,13 \pm 0,70(\text{stat.}) \pm 0,26(\text{syst.})] \%$$
• Rendements : Les rendements de signal ajustés pour la désintégration radiative sont de $712 \pm 69$ pour Belle et $387 \pm 38$ pour Belle II. Les rendements du canal de référence sont de $10820 \pm 230$ (Belle) et $6108 \pm 163$ (Belle II).
• Systématiques : L'incertitude systématique totale est de 3,2 %, dominée par les variations du modèle d'ajustement et les incertitudes de pondération de $x_p$. Les sources systématiques dominantes pour le canal de référence sont la région d'ajustement/PDF du bruit de fond et la résolution, tandis que pour le canal de signal, elles sont la région d'ajustement/PDF du bruit de fond et les paramètres de la PDF fixés.

Signification et affirmations
Les auteurs déclarent que ce résultat fournit une discrimination cruciale entre les modèles théoriques de la structure du $D^*_{s0}(2317)^+$. Le rapport mesuré de 7,13 % est :

• Généralement plus élevé que les prédictions suggérant un état moléculaire (qui prédisent $< 4,25 \%$).
• Plus faible que la prédiction pour une configuration $c\bar{s}$ pure sous le modèle de quarks (qui prédit $> 8,1 \%$).
• Cohérent avec les prédictions basées sur le modèle de quarks de la ligne de front et le modèle de quarks chiraux sous l'attente $c\bar{s}$ pure.

L'article conclut que, bien que la largeur intrinsèque du $D^*_{s0}(2317)^+$ ne puisse pas être mesurée actuellement en raison de la résolution expérimentale limitée, ce rapport de fraction de branchement fournit une donnée complémentaire pour aider à discriminer davantage parmi les explications concurrentes de la nature du méson. Ce résultat motive des calculs théoriques dédiés de ce rapport sous diverses hypothèses afin de résoudre la structure précise du $D^*_{s0}(2317)^+$.