First search for $B \rightarrow X_{s} \nu \bar{\nu}$ decays

En utilisant 365 fb⁻¹ de données du détecteur Belle II, la première recherche de la désintégration par courant neutre changeant de saveur $B \rightarrow X_{s} \nu \bar{\nu}$ a été menée via une approche de somme d'exclusifs, ne produisant aucun signal significatif et établissant une limite supérieure sur la fraction de branchement à $3,3 \times 10^{-4}$.

L'essentiel

Imaginez que l'univers soit une gigantesque usine de particules à haute vitesse. Dans cette usine, des particules lourdes appelées mésons B sont constamment créées, puis se brisent immédiatement en morceaux plus petits. Habituellement, ces ruptures suivent des règles strictes établies par le Modèle Standard (le livre de règles de la physique).

Cependant, parfois, un méson B peut se briser d'une manière très rare et « interdite » : il se transforme en une particule étrange (appelée Xs) et deux fantômes invisibles (les neutrinos) que nous ne pouvons ni voir ni attraper. Ce type de rupture spécifique est appelé $B \to X_s \nu\bar{\nu}$.

Voici comment la collaboration Belle II a traqué ces événements rares, expliqué simplement :

1. L'installation : Un radar de vitesse cosmique

Les scientifiques ont utilisé une machine massive appelée le collisionneur SuperKEKB. Considérez cela comme une piste de course où ils font s'entrechoquer des électrons et des positrons (des anti-électrons) à une vitesse proche de celle de la lumière.

• L'objectif : Créer des millions de mésons B.
• Le problème : Ces mésons B se désintègrent presque instantanément. Pour les étudier, il faut les attraper sur le fait.
• L'outil : Le détecteur Belle II est comme une caméra géante à 360 degrés entourant le site de l'impact. Il prend des milliards de « photos » (points de données) de ces collisions.

2. La stratégie : L'astuce de « l'argent manquant »

Détecter ces désintégrations spécifiques est difficile car les neutrinos sont invisibles. C'est comme essayer de trouver un voleur qui a dérobé un sac d'argent, mais le voleur s'est volatilisé sans laisser de trace. Vous ne pouvez pas voir le voleur, mais vous savez que l'argent a disparu.

Les scientifiques ont utilisé une méthode de détective astucieuse en deux étapes :

• Étape 1 : Le marquage du partenaire. Lorsqu'un méson B est créé, il naît généralement avec un « jumeau ». Les scientifiques ont d'abord reconstruit entièrement (identifié) ce méson B partenaire. C'est comme trouver le jumeau et savoir exactement à quoi l'original aurait dû ressembler.
• Étape 2 : La somme des exclusifs. Au lieu d'essayer de deviner ce que les neutrinos invisibles ont fait, ils ont observé les autres morceaux restants (le système Xs). Ils ne se sont pas contentés de chercher une forme spécifique ; ils ont cherché 30 combinaisons différentes de particules (comme différents assemblages de briques LEGO) qui pourraient constituer la particule « étrange ». En additionnant toutes ces possibilités spécifiques, ils pouvaient estimer la quantité totale de « l'argent manquant » (les neutrinos) avec une grande précision.

3. Le filtre : Trier le bruit

Le détecteur voit tout, y compris le bruit de fond (comme des parasites sur une radio). La plupart du temps, les particules observées ne sont que des débris ordinaires issus de la collision, et non la désintégration rare qu'ils recherchent.

• Pour nettoyer le signal, ils ont utilisé un Arbre de décision boosté (BDT). Considérez cela comme un filtre d'IA super intelligent. Il examine 32 indices différents (comme la vitesse à laquelle les particules se déplacent, leurs angles et la quantité d'énergie manquante) pour décider : « S'agit-il d'un signal rare ou simplement de bruit de fond ? »
• Ils ont établi un seuil très strict : seuls les événements dont l'IA était sûre à 86 % qu'ils étaient « de type signal » ont été conservés pour l'analyse.

4. Les résultats : La chasse aux fantômes

Après avoir analysé des données équivalentes à 365 « femtobarns inverses » (une unité de données de collision qui représente une quantité massive d'informations), l'équipe a cherché la « signature d'énergie manquante » dans trois plages de masse différentes de la particule étrange (légère, moyenne et lourde).

• Le résultat : Ils n'ont trouvé aucun signal significatif. En d'autres termes, ils n'ont pas trouvé de « voleur » volant l'argent plus souvent que ce que prévoit le livre de règles.
• La conclusion : Comme ils n'ont pas trouvé l'événement, ils n'ont pas pu mesurer exactement la fréquence à laquelle il se produit. Au lieu de cela, ils ont fixé une limite supérieure.
  • Ils peuvent affirmer avec une confiance de 90 % que cette désintégration rare se produit moins de 3,3 fois pour 10 000 mésons B.
  • Ils ont également fixé des limites plus strictes pour les différentes plages de masse (par exemple, pour les particules les plus légères, cela se produit moins de 2,2 fois pour 100 000).

5. Pourquoi cela importe

Même s'ils n'ont pas fait de « nouvelle » découverte, c'est un événement majeur car :

• C'est la première fois : Il s'agit de la toute première recherche de ce type spécifique de désintégration inclusive (cherchant à la fois toutes les combinaisons possibles de particules étranges).
• Tester les règles : Le Modèle Standard prédit exactement la fréquence à laquelle cela devrait se produire. Si le monde réel présentait davantage de ces désintégrations que ce que prédit le modèle, cela signifierait que de la « nouvelle physique » est à l'œuvre — peut-être des particules invisibles comme la matière noire ou de nouvelles forces que nous n'avons pas encore découvertes.
• Le verdict : Puisque leurs résultats concordent avec les prédictions du Modèle Standard (dans la marge d'erreur), le livre de règles actuel tient toujours la route. Le « voleur » est toujours caché, ou peut-être n'existe-t-il pas de la manière dont nous le supposions.

En bref : Les scientifiques ont construit une caméra massive, capturé des millions de collisions de particules, utilisé une IA intelligente pour filtrer le bruit, et recherché une rupture spécifique et invisible. Ils ne l'ont pas trouvée, mais ils ont prouvé que si elle se produit, elle est incroyablement rare, préservant ainsi notre compréhension actuelle de l'univers.

Résumé technique

Résumé Technique : Première recherche des désintégrations $B \to X_s \nu \bar{\nu}$

Problème et Motivation
Les désintégrations de courants neutres à changement de saveur (FCNC) de la forme $b \to s \nu \bar{\nu}$ sont fortement supprimées dans le Modèle Standard (SM) en raison du mécanisme de Glashow-Iliopoulos-Maiani (GIM), car elles ne se produisent que via des diagrammes de boucle (papillon et boîte). Contrairement aux désintégrations $b \to s \ell^+ \ell^-$, qui souffrent de contributions à longue distance impliquant l'échange de photons et des boucles de quarks charm, les désintégrations $b \to s \nu \bar{\nu}$ permettent des prédictions théoriques précises. Ces désintégrations sont sensibles à la physique au-delà du SM (BSM), telle que les contributions virtuelles de leptoquarks ou de bosons $Z'$, et peuvent sonder des particules invisibles comme des scalaires légers ou de la matière noire fermionique.

Bien que la collaboration Belle II ait précédemment rapporté des indices pour la désintégration exclusive $B^+ \to K^+ \nu \bar{\nu}$ avec une fraction de désintégration de $(2,3 \pm 0,7) \times 10^{-5}$ (soit 2,7$\sigma$ au-dessus de la prédiction du SM), la désintégration inclusive $B \to X_s \nu \bar{\nu}$ (où $X_s$ est un système hadronique de strangéité $S=1$) n'avait pas été étudiée. La fraction de désintégration inclusive est prédite à $(2,9 \pm 0,3) \times 10^{-5}$ dans le SM. Des règles de somme théoriques relient les taux inclusifs et exclusifs, fournissant une forte motivation pour une recherche inclusive afin de contraindre les paramètres du BSM. Les limites précédentes de la collaboration ALEPH au pôle $Z$ étaient moins strictes et manquaient d'un cadre théorique fiable pour les désintégrations de hadrons $b$ inclusives.

Méthodologie
Cette analyse utilise les données collectées par le détecteur Belle II au collisionneur $e^+e^-$ à énergie asymétrique SuperKEKB. Le jeu de données comprend une luminosité intégrée de $365,4 \pm 1,7 \text{ fb}^{-1}$ collectée à la résonance $\Upsilon(4S)$ et $42,7 \pm 0,2 \text{ fb}^{-1}$ collectée 60 MeV sous la résonance pour estimer les fonds de continuum.

L'analyse emploie une stratégie de « marquage et sondage » (tag-and-probe) :

1. Marquage (Tagging) : Un méson $B$ ($\text{B}_{\text{tag}}$) issu de la désintégration $\Upsilon(4S) \to B\bar{B}$ est reconstruit entièrement dans des modes hadroniques en utilisant l'algorithme Full Event Interpretation (FEI). Les candidats sont sélectionnés sur la base de la masse contrainte par l'énergie du faisceau ($M_{\text{bc}} > 5,27 \text{ GeV}/c^2$) et de la différence d'énergie ($|\Delta E| < 0,2 \text{ GeV}$).
2. Reconstruction du Signal ($X_s$) : Les particules restantes de l'événement sont utilisées pour reconstruire le système $X_s$. Une approche par somme d'exclusifs est utilisée, reconstruisant 30 modes de désintégration spécifiques ($K n\pi$, $K n\pi K_S^0$, etc., avec $0 \le n \le 4$). Cette méthode couvre environ 83 % des désintégrations non-résonantes $X_s$ et 93 % de la fraction de désintégration totale de $B \to X_s \nu \bar{\nu}$ en simulation.
3. Suppression du Fond :
   • Coupes Kinématiques : La masse reconstruite de $X_s$ ($M_{\text{reco}}^{X_s}$) doit être $< 2,0 \text{ GeV}/c^2$, et son impulsion dans le référentiel du centre de masse est contrainte entre $0,5 < p^*_{X_s} < 2,96 \text{ GeV}/c$.
   • Impulsion Manquante : L'angle polaire du vecteur d'impulsion manquante est restreint à l'acceptation du détecteur ($17^\circ < \theta_{\text{miss}} < 150^\circ$) pour rejeter les particules s'échappant sans être détectées.
   • Reste de l'Événement (ROE) : Le ROE doit présenter zéro trace provenant du point d'interaction, zéro $\pi^0$ et zéro $K_S^0$. L'énergie supplémentaire ($E_{\text{extra}}$) dans le calorimètre électromagnétique est limitée à $< 1,3 \text{ GeV}$.
   • Analyse Multivariée : Un arbre de décision boosté (BDT) utilisant 32 variables d'entrée (cinématique, forme de l'événement, ROE et variables de suppression de $D$-mésons) est utilisé pour séparer le signal du fond de continuum ($e^+e^- \to q\bar{q}$) et des fonds $B\bar{B}$ non-signaux. La sortie du BDT ($O_{\text{BDT}}$) doit être $> 0,86$.

Contributions Clés et Corrections
L'analyse incorpore plusieurs corrections basées sur les données pour traiter les erreurs de modélisation en simulation :

• Multiplicité des Photons : Des corrections sont appliquées à la distribution de multiplicité des photons dans la simulation du signal en comparant avec les données utilisant des candidats $B_{\text{tag}} X_s^0$.
• Fragmentation : La fragmentation de $X_s$ est corrigée en utilisant des mesures de $B \to X_s \gamma$ dans des régions de masse spécifiques.
• Fonds de Pic (Peaking Backgrounds) : La modélisation des fonds $B \to X_s n\bar{n}$ et $B \to X_s K_L^0 K_L^0$ est affinée en utilisant respectivement les données de $B \to X_s p\bar{p}$ et $B \to X_s K_S^0 K_S^0$.
• Validation de l'Efficacité : Les ratios d'efficacité données-simulation pour la sélection BDT sont mesurés en utilisant des événements $B \to J/\psi X_s$ ($J/\psi \to \mu^+\mu^-$) et appliqués comme facteurs de correction.

Les incertitudes systématiques sont évaluées en utilisant les données hors résonance, les bandes latérales (sidebands) de $M_{\text{bc}}$ et $O_{\text{BDT}}$, ainsi que les variations des paramètres de nuisance. Les incertitudes systématiques dominantes proviennent de la taille de l'échantillon simulé et de la normalisation du fond.

Résultats
La recherche est effectuée dans trois régions de la masse réelle de $X_s$ ($M_{\text{true}}^{X_s}$) :

1. $0,0 < M_{\text{true}}^{X_s} < 0,6 \text{ GeV}/c^2$ (dominée par $K$)
2. $0,6 < M_{\text{true}}^{X_s} < 1,0 \text{ GeV}/c^2$ (dominée par $K^*(892)$)
3. $1,0 \text{ GeV}/c^2 < M_{\text{true}}^{X_s}$ (états plus lourds)

Aucun signal significatif n'est observé dans aucune région. Les rendements de signal observés sont cohérents avec les attentes de fond. Par conséquent, des limites supérieures au niveau de confiance (C.L.) de 90 % sur les fractions de désintégration partielles sont fixées :

• $0,0 < M_{\text{true}}^{X_s} < 0,6 \text{ GeV}/c^2$ : $2,2 \times 10^{-5}$
• $0,6 < M_{\text{true}}^{X_s} < 1,0 \text{ GeV}/c^2$ : $9,3 \times 10^{-5}$
• $1,0 \text{ GeV}/c^2 < M_{\text{true}}^{X_s}$ : $30,9 \times 10^{-5}$

En combinant toutes les régions, la limite supérieure sur la fraction de désintégration inclusive est :
$$\mathcal{B}(B \to X_s \nu \bar{\nu}) < 3,3 \times 10^{-4}$$
La valeur centrale pour la fraction de désintégration est calculée comme $[8,8^{+8,5}_{-8,2}(\text{stat})^{+12,6}_{-10,7}(\text{syst})] \times 10^{-5}$. Notez que ces résultats excluent la contribution de longue distance de $B^+ \to \tau^+(\to X_s^+ \bar{\nu})\nu$.

Signification
Cet article rapporte la première recherche des désintégrations inclusives $B \to X_s \nu \bar{\nu}$. Bien que les résultats n'excèdent pas actuellement la prédiction du SM pour établir une découverte, les limites supérieures établies fournissent les premières contraintes expérimentales sur le taux inclusif. Ces contraintes sont cruciales pour tester la relation entre les désintégrations $b \to s \nu \bar{\nu}$ inclusives et exclusives via les règles de somme et pour limiter les contributions potentielles de modèles de nouvelle physique qui augmentent ces processus FCNC.