Differential decay rate of $B^+ \to J/\psi K^+$ with the LHCb Upgrade I experiment

En utilisant un échantillon de données de 1,1 fb$^{-1}$ provenant du détecteur LHCb Upgrade I collectées en octobre 2024, cet article mesure le taux de désintégration normalisé et les coefficients angulaires du processus $B^+ \to J/\psi K^+$, démontrant que la réponse du détecteur amélioré est suffisamment comprise pour extraire de manière fiable les paramètres des transitions rares $b \to s \mu^+\mu^-$ et $b \to d \mu^+\mu^-$ sensibles à la physique au-delà du Modèle Standard.

L'essentiel

La vue d'ensemble : Une vérification de caméra ultra-rapide

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme une immense piste de course ultra-rapide où des protons filent à toute allure, frôlant la vitesse de la lumière. L'expérience LHCb est comme une équipe de caméras spécialisées postée sur le bord de la piste, tentant de prendre des photos de particules très rares et éphémères appelées « mésons B » lorsqu'elles passent et se désintègrent.

En 2022, cette équipe de caméras a reçu une mise à niveau massive (appelée Upgrade I). Ils ont remplacé presque tous leurs objectifs et capteurs pour pouvoir gérer un trafic cinq fois plus dense qu'auparavant. Mais avant de pouvoir faire confiance à ces nouvelles caméras ultra-rapides pour photographier les particules les plus mystérieuses de l'univers, ils devaient s'assurer que les caméras ne déformaient pas les images.

Ce document est le « rapport de contrôle qualité » de ce nouveau système de caméras.

Le sujet du test : La particule « étalon d'or »

Pour tester la caméra, les scientifiques ne se sont pas penchés sur les particules les plus mystérieuses pour l'instant. À la place, ils ont observé une désintégration très connue et prévisible : $B^+ \to J/\psi K^+$.

Considérez cette désintégration de particule comme une chorégraphie parfaitement exécutée.

• La particule $B^+$ est le danseur principal.
• Elle tourne et se divise en une $J/\psi$ (qui se divise immédiatement en deux muons, comme une paire de danseurs) et un $K^+$ (un kaon).
• Comme nous connaissons si bien les règles de la physique (la « chorégraphie ») pour cette danse spécifique, nous savons exactement comment les danseurs doivent bouger. Si la caméra fonctionne correctement, la vidéo de la danse doit ressembler exactement à la chorégraphie. Si la caméra est défectueuse ou biaisée, la vidéo paraîtra étrange.

La mesure : Vérifier les angles

Les scientifiques se sont concentrés sur une chose précise : l'angle sous lequel les muons (les deux danseurs) s'éloignent l'un de l'autre. Ils appellent cela l'« angle d'hélicité ».

Ils ont mesuré deux choses principales concernant cet angle :

1. L'asymétrie Avant-Arrière ($A_{FB}$) : Les danseurs penchent-ils davantage vers l'avant ou vers l'arrière ? (La théorie dit : Non, cela devrait être parfaitement équilibré, comme une balançoire à bascule au milieu).
2. La planéité ($F_H$) : La distribution des angles est-elle parfaitement lisse et plate ? (La théorie dit : Oui).

Dans le « Modèle Standard » de la physique (le livre de règles de fonctionnement de l'univers), ces deux nombres devraient être égaux à zéro. Si la caméra est parfaite, les mesures doivent être nulles. Si la caméra est inclinée ou biaisée, les chiffres seront erronés.

Les résultats : La caméra est parfaite

Les scientifiques ont analysé des données collectées en octobre 2024. Ils ont examiné les données de deux manières différentes :

• MagDown & MagUp : Le détecteur LHCb utilise un aimant géant pour courber les trajectoires des particules. Ils ont testé la caméra avec l'aimant pointant vers le haut et avec l'aimant pointant vers le bas pour s'assurer que l'aimant lui-même ne provoquait aucun biais.
• Différentes conditions : Ils ont vérifié les données sous différentes conditions de « trafic » (combien la piste était encombrée) et pour des particules se déplaçant à des vitesses différentes.

Le verdict :
Les mesures sont tombées sur zéro, dans la marge d'erreur.

• La « danse » ressemblait exactement à ce que la chorégraphie prévoyait.
• La caméra ne favorisait ni le côté gauche par rapport au droit, ni l'avant par rapport l'arrière.
• Même lorsque la piste était extrêmement encombrée (fort « pile-up »), la caméra a toujours pris des photos claires et sans biais.

Pourquoi cela importe (selon l'article)

L'article explique que ce test spécifique est une répétition avant le vrai spectacle.

Les scientifiques se préparent à étudier des désintégrations rares (comme $b \to s\mu^+\mu^-$) qui pourraient révéler une « nouvelle physique » au-delà de notre manuel de règles actuel. Ces désintégrations rares sont comme la recherche d'un danseur qui ne respecterait pas les règles. Mais pour repérer un fauteur de troubles, il faut être sûr à 100 % que votre caméra ne fait pas passer un danseur normal pour un fauteur de troubles par accident.

En prouvant que la caméra de l'Upgrade I mesure la « danse parfaite » ($B^+ \to J/\psi K^+$) avec une précision extrême, l'équipe affirme :

« Nous avons calibré nos nouvelles caméras ultra-rapides. Nous savons exactement comment elles voient le monde. Maintenant, quand nous observerons les particules mystérieuses qui ne respectent pas les règles, nous pourrons être certains que toute bizarrerie que nous verrons est de la vraie physique, et non un bug de notre caméra. »

Résumé

Cet article est un succès pour l'Upgrade I de LHCb. Il confirme que le nouveau détecteur, plus rapide, fonctionne exactement comme prévu, gérant un trafic intense sans déformer les angles de désintégration des particules. Cela donne le feu vert aux scientifiques pour commencer la chasse à la nouvelle physique en toute confiance.

Résumé technique

Résumé Technique : Taux de désintégration différentiel de $B^+ \to J/\psi K^+$ avec l'expérience LHCb Upgrade I

Problème et Motivation
L'expérience LHCb a subi une mise à niveau majeure (Upgrade I) pour le début de la période LHC Run 3, permettant un fonctionnement à une luminosité instantanée cinq fois supérieure aux périodes précédentes et un système de déclenchement entièrement basé sur le logiciel à 40 MHz. Bien que cette mise à niveau promette une sensibilité accrue aux transitions rares $b \to s\mu^+\mu^-$ et b \to d\mu^+\mu^ — des processus hautement sensibles à la nouvelle physique au-delà du Modèle Standard (SM) — elle nécessite une validation rigoureuse de la réponse du détecteur sous ces nouvelles conditions de pile-up élevé.

Le mode de désintégration $B^+ \to J/\psi K^+$ sert de référence critique pour cette validation. Contrairement à $B^0 \to J/\psi K^{*0}$, qui implique une interférence complexe avec des contributions exotiques, $B^+ \to J/\psi K^+$ est une désintégration de type arbre $b \to s c \bar{c}$ avec un taux de branchement important et une distribution angulaire précisément connue. Dans le SM, dans la région de résonance de la $J/\psi$, les observables angulaires associées à cette désintégration sont attendues comme étant nulles en raison de la conservation du moment angulaire. Par conséquent, toute déviation mesurée indiquerait principalement des asymétries induites par le détecteur ou une erreur de modélisation plutôt qu'une nouvelle physique. Valider la capacité du détecteur à reconstruire correctement l'angle d'hélicité du lepton ($\theta_\ell$) dans ce canal est essentiel pour calibrer les estimations d'efficacité et vérifier les stratégies d'analyse pour les modes $b \to s\mu^+\mu^-$ rares, qui partagent des états finaux et des formes fonctionnelles angulaires similaires.

Méthodologie
L'analyse utilise un échantillon de données correspondant à une luminosité intégrée de $1,1 \text{ fb}^{-1}$ collectée en octobre 2024 à une énergie de centre de masse de 13,6 TeV. L'échantillon comprend des configurations avec les deux polarités de champ magnétique (MagDown et MagUp).

1. Sélection des candidats : Les événements sont sélectionnés à l'aide du système de déclenchement en ligne (HLT1 et HLT2) et de la reconstruction hors ligne. Les critères de sélection exigent un vertex déplacé formé par deux muons de charges opposées et un kaon. L'identification des particules (PID) est appliquée à l'aide de réseaux de neurones artificiels ($PNN_i$), et un classificateur Boosted Decision Tree (BDT) lâche est employé pour supprimer le bruit de fond combinatoire, imitant les stratégies de sélection utilisées pour les analyses de désintégrations rares.
2. Modélisation de l'efficacité : Pour corriger l'acceptation du détecteur et les effets de reconstruction, des échantillons simulés de $B^+ \to J/\psi K^+$ sont calibrés à l'aide de poids dérivés des données. Ces poids corrigent l'efficacité de PID, l'efficacité du déclenchement, l'occupation du détecteur et la cinématique de production. L'efficacité en fonction de $\cos \theta_\ell$, notée $\epsilon(\cos \theta_\ell)$, est paramétrée à l'aide d'un polynôme de Legendre de 12ème ordre.
3. Modèle d'ajustement (Fit) : Un ajustement de maximum de vraisemblance étendu non classé en deux dimensions est effectué sur la masse invariante $m(K^+\mu^+\mu^-)$ et $\cos \theta_\ell$. Le signal est modélisé par le taux de désintégration différentiel théorique (Éq. 1) multiplié par la fonction d'efficacité. Les fonds provenant de $B^+ \to J/\psi \pi^+$ et des sources combinatoires sont modélés à l'aide de polynômes de Chebyshev et de fonctions exponentielles.
4. Évaluation des incertitudes systématiques : Les incertitudes systématiques sont évaluées à l'aide d'ensembles de pseudo-expériences. Les sources dominantes incluent la taille finie des échantillons de simulation utilisés pour la paramétrage de l'efficacité et les variations dans les schémas de pondération pour les corrections cinématiques.
5. Analyse différentielle : Les coefficients angulaires sont mesurés différentiellement à travers 17 variables cinématiques et de réponse du détecteur (ex: nombre de vertex primaires, impulsion transverse, $\chi^2$ d'impact) afin d'identifier d'éventuelles tendances ou biais.

Contributions clés et Résultats
L'article présente la première analyse de physique complète d'une désintégration de hadron $b$ utilisant le détecteur LHCb Upgrade I. Les principaux résultats sont les mesures de l'asymétrie avant-arrière ($A_{FB}$) et du paramètre de platitude ($F_H$).

• Mesures intégrées : Les résultats combinés pour l'ensemble des données sont :
  • $A_{FB} = 0,19 \pm 0,48 \text{ (stat)} \pm 0,33 \text{ (syst)} \times 10^{-3}$
  • $F_H = 0,5 \pm 1,1 \text{ (stat)} \pm 1,4 \text{ (syst)} \times 10^{-3}$
    Ces valeurs sont cohérentes avec la prédiction du SM de zéro à environ 1,2 écart-type. Les résultats pour les polarités MagDown et MagUp concordent entre eux au niveau de 1,5$\sigma$.
• Stabilité différentielle : L'analyse ne révèle aucune tendance significative dans $A_{FB}$ ou $F_H$ à travers les 17 variables testées. Les ajustements linéaires aux mesures différentielles ne montrent aucun écart cohérent par rapport à zéro, et les distributions de « pull » (comparant les résultats binés à la valeur intégrée) sont cohérentes avec les fluctuations statistiques.
• Robustesse face au pile-up : La pureté du signal reste stable (variant de moins de 10 %) sur une large gamme de nombres de vertex primaires (de 1 à 14), et la résolution de masse du $B^+$ montre peu de dégradation, démontant la résilience du détecteur sous des conditions de haute luminosité.

Signification et Revendications
L'article affirme que ces mesures démontrent que la réponse du détecteur LHCb Upgrade I est comprise avec la précision requise pour l'extraction fiable des coefficients angulaires des transitions rares $b \to s\mu^+\mu^-$ et $b \to d\mu^+\mu^-$.

Plus précisément, les auteurs déclarent que :

1. Les incertitudes systématiques de cette mesure sont significativement plus petites que les incertitudes statistiques attendues pour les futures analyses de $b \to s\mu^+\mu^-$ dans la même région cinématique.
2. La stabilité des résultats à travers diverses variables de réponse du détecteur et critères de sélection (incluant des coupes PID et BDT plus strictes) valide la stratégie d'analyse pour les recherches de désintégrations rares.
3. Le détecteur fonctionne de manière robuste sous la haute luminosité instantanée ($2 \times 10^{33} \text{ cm}^{-2}\text{s}^{-1}$) caractéristique du Run 3, confirmant que le système amélioré peut gérer l'augmentation du pile-up sans introduire de biais significatifs dans les observables angulaires.

Ce travail sert de étape de validation cruciale, garantissant que le LHCb Upgrade I est prêt à sonder les déviations potentielles par rapport au Modèle Standard dans les désintégrations rares avec une grande confiance.