Precision measurement of CP violation and branching fractions in $B^{\pm} \to K^0_{\mathrm{S}} h^{\pm}$ $(h = \pi, K)$ decays and search for the rare decay $B_c^{\pm} \to K^0_{\mathrm{S}} K^{\pm}$

En utilisant des données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par l'expérience LHCb, cette étude présente les mesures les plus précises à ce jour des asymétries de violation de CP et des rapports de branches pour les désintégrations $B^{\pm} \to K^0_{\mathrm{S}} \pi^{\pm}$ et $B^{\pm} \to K^0_{\mathrm{S}} K^{\pm}$, tout en établissant une limite supérieure pour la recherche de la désintégration rare $B_c^{\pm} \to K^0_{\mathrm{S}} K^{\pm}$.

L'essentiel

🕵️‍♂️ L'Enquête de CERN : Chasse aux fantômes dans l'univers des particules

Imaginez que l'univers est une immense usine de Lego géante. La plupart des briques (les atomes) sont stables et prévisibles. Mais il existe des briques spéciales, très lourdes et instables, appelées mesons B. Elles sont comme des châteaux de cartes : elles s'effondrent presque instantanément pour donner naissance à d'autres briques plus petites.

Les physiciens de l'expérience LHCb au CERN (en Suisse) sont des détectives qui observent ces effondrements pour voir si les règles du jeu sont respectées ou si quelqu'un triche.

1. Le Mystère : Pourquoi le monde est-il fait de matière ?

Selon les règles officielles de la physique (le "Modèle Standard"), quand une brique lourde s'effondre, elle devrait se comporter exactement comme son jumeau miroir (l'antimatière), sauf pour une petite différence appelée violation de CP. C'est cette différence qui a permis à l'univers de ne pas s'annihiler totalement au début du temps.

Mais il y a un problème : certaines de ces différences sont si petites que les théoriciens pensent qu'elles devraient être nulles (comme zéro). Si les détectives trouvent une différence, même minuscule, là où ils ne devraient rien trouver, cela signifie qu'il y a un "nouveau joueur" sur le terrain, une nouvelle physique inconnue !

2. L'Expérience : Le "Tire-bouchon" et le "Miroir"

Dans ce papier, les détectives LHCb ont regardé deux types d'effondrements très précis :

• Le cas "Propre" (B± → K0Sπ±) : C'est comme regarder un miroir parfaitement lisse. La théorie dit que l'image dans le miroir (la matière) et l'image inversée (l'antimatière) doivent être identiques. Si vous voyez une différence, c'est une preuve de triche.
• Le cas "Complexe" (B± → K0SK±) : C'est comme regarder à travers un miroir déformant. C'est plus difficile à prédire, mais cela permet de tester si nos théories sur la façon dont les forces agissent sont correctes.

Pour cela, ils ont utilisé le Grand collisionneur de hadrons (LHC), une piste de course circulaire de 27 km où des protons roulent à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils ont analysé 5,4 milliards de collisions (une quantité astronomique !) pour trouver ces rares événements.

3. Les Résultats : Des mesures d'une précision chirurgicale

Après avoir trié des montagnes de données (comme chercher une aiguille dans une botte de foin, mais l'aiguille est invisible et la botte de foin est faite de lumière), voici ce qu'ils ont trouvé :

• Pour le cas "Propre" : Ils ont mesuré la différence entre matière et antimatière. Le résultat est de -0,028. C'est très proche de zéro, mais pas tout à fait nul. C'est comme si vous pesiez une plume avec une balance ultra-précise et que vous trouviez qu'elle pèse 0,0001 gramme de plus que prévu. C'est la mesure la plus précise jamais faite sur ce sujet !
• Pour le cas "Complexe" : Ils ont trouvé une différence de 0,118. C'est plus important, mais cela reste dans les limites de ce que les théories actuelles pourraient expliquer (bien que ce soit à la limite du raisonnable).
• La recherche du "Fantôme" (Bc) : Ils ont aussi cherché une particule encore plus rare, le Bc, qui devrait se désintégrer d'une manière très spécifique. Résultat : Rien. Ils n'ont pas vu de fantôme. Cela leur permet de dire : "Si ce fantôme existe, il est plus discret que ce que nous pensions."

4. Pourquoi c'est important ? (L'analogie du puzzle)

Imaginez que le Modèle Standard est un puzzle de 1000 pièces que nous pensons avoir terminé.

• Cette nouvelle étude a affiné la forme de deux pièces spécifiques avec une précision jamais atteinte.
• Elles s'emboîtent presque parfaitement, mais il y a un tout petit écart.
• Cet écart ne prouve pas encore qu'il manque une pièce (une nouvelle physique), mais il nous dit exactement où regarder pour la trouver.

De plus, en ne trouvant pas le "fantôme" Bc, ils ont éliminé certaines hypothèses sur la façon dont les forces invisibles (l'annihilation faible) fonctionnent. C'est comme dire : "Le monstre sous le lit n'est pas de cette taille-là."

En résumé

Cette équipe a utilisé le plus grand microscope du monde pour regarder comment certaines particules se désintègrent. Ils ont prouvé que nos règles actuelles tiennent toujours la route, mais avec une précision si fine qu'ils ont réduit l'incertitude de moitié par rapport aux mesures précédentes.

C'est une victoire de la précision : ils ont nettoyé la loupe pour que, la prochaine fois, si un nouveau phénomène se cache dans l'ombre, nous serons capables de le voir immédiatement. C'est une étape cruciale pour comprendre pourquoi l'univers existe tel que nous le connaissons.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte Physique

Ce travail se concentre sur l'étude des désintégrations hadroniques à deux corps sans charme des mésons B, spécifiquement les modes $B^\pm \to K^0_S \pi^\pm$ et $B^\pm \to K^0_S K^\pm$.

• Test du Modèle Standard (SM) : Le canal $B^\pm \to K^0_S \pi^\pm$ est dominé par une bougle de gluons (diagramme "penguin") sans contribution d'arbre. Dans le SM, son asymétrie de charge directe ($A_{CP}$) est prédite être très proche de zéro. Toute déviation mesurée avec précision serait un signe clair de nouvelle physique dans le secteur de la saveur.
• Dynamique hadronique : Le canal $B^\pm \to K^0_S K^\pm$, via une transition $b \to ssd$ doublement supprimée par la matrice CKM, permet de sonder les amplitudes d'annihilation et les effets QCD non perturbatifs. Les prédictions théoriques (QCDF, pQCD) pour son $A_{CP}$ sont fortement dépendantes des modèles.
• Recherche de processus rares : L'article inclut également une recherche du processus très rare $B_c^+ \to K^0_S K^+$, qui se produit exclusivement via annihilation faible. Ce processus est crucial pour contraindre les contributions d'annihilation, mal comprises dans les désintégrations de mésons lourds.

2. Méthodologie Expérimentale

L'analyse utilise des données de collisions proton-proton collectées par l'expérience LHCb au Grand collisionneur de hadrons (LHC) à une énergie de centre de masse de 13 TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 5,4 fb$^{-1}$ (données du Run 2, 2016-2018).

Sélection et Reconstruction :

• Candidats : Les candidats sont formés en combinant un $K^0_S \to \pi^+ \pi^-$ avec une trace chargée identifiée comme un pion ($\pi^\pm$) ou un kaon ($K^\pm$).
• Filtres cinématiques : Des coupes strictes sont appliquées sur l'impulsion ($p$), l'impulsion transverse ($p_T$), la qualité du vertex et la distance de vol pour supprimer le bruit de fond.
• Apprentissage automatique : Deux classificateurs sont utilisés pour la suppression du bruit de fond :
  • Un BDT (Boosted Decision Tree) basé sur AdaBoost pour la vérification de la cohérence données/simulation.
  • Un BDTG (Gradient Boosted Decision Tree) pour la sélection finale, optimisé pour maximiser la signification du signal ($N_S/\sqrt{N_S + N_B}$).
• Correction des asymétries : Les asymétries de charge brutes sont corrigées pour les asymétries de détection et de production ($A_{det+prod}$) en utilisant le canal de contrôle $B^+ \to J/\psi K^+$. Les effets de violation de CP dans le système des kaons neutres ($K^0$) et les asymétries d'identification particule ($K/\pi$) sont également pris en compte.

Analyse Statistique :

• Une ajustement de vraisemblance maximale étendue non binaire est réalisé simultanément sur les distributions de masse invariante des quatre échantillons ($B^+ \to K^0_S \pi^+$, $B^- \to K^0_S \pi^-$, $B^+ \to K^0_S K^+$, $B^- \to K^0_S K^-$) dans la plage $5000 < m_{B} < 5700$ MeV/$c^2$.
• Le signal est modélisé par une somme de fonctions Crystal Ball double face et Gaussiennes. Le bruit de fond est composé de composantes combinatoires (polynôme) et partiellement reconstruites (fonction ARGUS).
• Pour la recherche de $B_c^+ \to K^0_S K^+$, une limite supérieure est fixée via la méthode du rapport de vraisemblance profilé.

3. Résultats Principaux

Les mesures présentées constituent les plus précises à ce jour pour ces grandeurs.

Asymétries de CP ($A_{CP}$) :
Les incertitudes statistiques et systématiques sont indiquées respectivement.

• $B^\pm \to K^0_S \pi^\pm$ :
  $$A_{CP} = -0.028 \pm 0.009 \text{ (stat)} \pm 0.009 \text{ (syst)}$$
  Ce résultat est cohérent avec les prédictions du Modèle Standard (proche de zéro) mais diffère de 2,3$\sigma$ de la mesure récente de Belle II. Il représente une amélioration d'un facteur deux par rapport aux résultats du Run 1 de LHCb.
• $B^\pm \to K^0_S K^\pm$ :
  $$A_{CP} = 0.118 \pm 0.062 \text{ (stat)} \pm 0.031 \text{ (syst)}$$
  Cette mesure commence à discriminer entre les prédictions théoriques (QCDF et pQCD), montrant des écarts de 2,5$\sigma$ et 1,4$\sigma$ respectivement.

Rapport de Branchement :
Le rapport des fractions de branchement est mesuré avec une grande précision :
$$\frac{\mathcal{B}(B^\pm \to K^0_S K^\pm)}{\mathcal{B}(B^\pm \to K^0_S \pi^\pm)} = 0.055 \pm 0.004 \text{ (stat)} \pm 0.002 \text{ (syst)}$$
Ce résultat est en excellent accord avec les mesures précédentes de LHCb et les prédictions théoriques.

Recherche de $B_c^+ \to K^0_S K^+$ :
Aucun signal significatif n'est observé. Une limite supérieure est établie sur le produit du rapport de branchement et du rapport des fractions de fragmentation ($f_c/f_u$) :
$$\frac{f_c}{f_u} \cdot \frac{\mathcal{B}(B_c^+ \to K^0_S K^+)}{\mathcal{B}(B^\pm \to K^0_S \pi^\pm)} < 0.015 \quad (90\% \text{ CL})$$
$$< 0.016 \quad (95\% \text{ CL})$$

4. Contributions Clés et Signification

• Précision inégalée : Cette étude établit une nouvelle référence pour les tests de nullité du Modèle Standard dans le secteur $b \to s$, réduisant l'incertitude totale sur $A_{CP}(B^\pm \to K^0_S \pi^\pm)$ à 0,013.
• Contrainte sur la QCD : La mesure de $A_{CP}(B^\pm \to K^0_S K^\pm)$ atteint une précision suffisante pour tester la validité des cadres théoriques complexes (QCDF vs pQCD) concernant les effets hadroniques et les topologies d'annihilation.
• Contraintes sur l'annihilation faible : La limite sur le processus $B_c^+ \to K^0_S K^+$ fournit des contraintes expérimentales directes sur les contributions d'annihilation, qui sont souvent une source majeure d'incertitude théorique dans les désintégrations hadroniques.
• Fondation pour le futur : Ces résultats, combinés aux statistiques accrues attendues avec la mise à niveau de LHCb (Upgrade I) et les données de Belle II, constituent une base essentielle pour les analyses globales futures visant à résoudre les énigmes persistantes de la physique des saveurs et à détecter potentiellement de la nouvelle physique.

En résumé, ce papier démontre la capacité de LHCb à réaliser des mesures de précision extrême sur des canaux théoriquement propres, transformant des tests de nullité en sondes sensibles pour la physique au-delà du Modèle Standard.