Search for lepton-number-violating $B^-\to D^{(*)+}\mu^-\mu^-$ decays

À l'aide de données de collisions proton-proton à 13 TeV correspondant à une luminosité intégrée de 5,4 fb$^{-1}$, l'expérience LHCb a mené une recherche de désintégrations $B^-\to D^{(*)+}\mu^-\mu^-$ violant le nombre leptonique, n'a observé aucun signal significatif et a établi des limites supérieures au niveau de confiance de 95 % sur les fractions d'embranchement de $4,6 \times 10^{-8}$ et $5,9 \times 10^{-8}$ pour les modes $D^+$ et $D^{*+}$, respectivement.

L'essentiel

Imaginez l'univers comme une piste de course géante et ultra-rapide où de minuscules particules filent à une vitesse proche de celle de la lumière. Les physiciens de l'expérience LHCb du CERN sont comme des détectives observant cette course, à la recherche d'un événement très spécifique, presque impossible, qui enfreindrait les règles.

Voici l'histoire de leur dernière enquête, expliquée simplement.

Le Mystère : Un Échange Interdit

Dans le monde de la physique des particules, il existe une règle fondamentale appelée « conservation du nombre leptonique ». Imaginez cette règle comme un système de comptabilité strict. Dans une transaction normale, si vous retirez deux pièces « négatives » (électrons ou muons), vous devez également libérer deux neutrinos « positifs » pour équilibrer la comptabilité.

Cependant, certaines théories suggèrent que les neutrinos pourraient être leurs propres antiparticules (comme une pièce qui présente deux faces face). Si c'est vrai, la comptabilité pourrait être équilibrée différemment. Deux pièces « négatives » pourraient être créées sans qu'aucun neutrino « positif » ne soit libéré. C'est ce qu'on appelle la violation du nombre leptonique.

Les scientifiques cherchaient une « transaction interdite » spécifique : la désintégration d'une particule lourde appelée méson B moins en une particule plus légère (un méson D) et deux muons (qui sont comme des électrons lourds), sans aucun neutrino en vue.

Le Travail de Détective : Attraper le Fantôme

Pour trouver cet événement rare, l'équipe LHCb a utilisé un ensemble de données massif de 2016 à 2018, équivalent à l'observation de 5,4 milliards de milliards (5,4 fb⁻¹) de collisions.

1. La Mise en Place :
Ils ont construit un appareil photo géant et haute technologie (le détecteur) pour capturer les particules s'échappant des collisions de protons. Ils cherchaient une signature spécifique : un méson B qui se scinde soudainement en un méson D et deux muons ayant la même charge électrique.

2. Le Bruit :
Le problème est que la piste de course est incroyablement bondée. La plupart du temps, les particules se désintègrent de manière normale, ou les détecteurs se trompent.

• Les Muons « Faux » : Parfois, un pion (un autre type de particule) vole si vite qu'il se brise en un vrai muon, ou le détecteur confond un pion avec un muon. Cela crée un signal « faux » qui ressemble exactement à l'événement interdit.
• L'Encombrement « Combinatoire » : Imaginez une pièce remplie de gens lançant des balles. Parfois, par pur hasard, deux balles aléatoires atterrissent ensemble dans un seau. C'est le « bruit de fond combinatoire » — un bruit aléatoire qui ressemble à un motif.

3. Les Filtres :
Pour trouver le vrai signal, l'équipe a utilisé un « filtre intelligent » (un outil d'apprentissage automatique appelé arbre de décision boosté).

• Ils ont appris à l'ordinateur à quoi ressemble un événement « faux » en étudiant des millions de simulations.
• Ils ont vérifié les « empreintes » (paramètres d'impact) des particules pour s'assurer qu'elles provenaient toutes exactement du même endroit au même moment.
• Ils ont utilisé un événement de « normalisation » (une désintégration très courante et bien comprise) comme règle pour mesurer l'efficacité de leur appareil photo.

Le Résultat : Aucun Fantôme Trouvé

Après avoir criblé les données avec ces filtres extrêmement stricts, les scientifiques ont examiné les résultats.

• Le Verdict : Ils n'ont trouvé aucune preuve claire de la désintégration interdite. Le « signal » qu'ils ont observé n'était que du bruit aléatoire, cohérent avec ce à quoi on s'attendrait si l'événement enfreignant les règles ne se produisait jamais.
• La Limite : Même s'ils ne l'ont pas trouvé, ils ont établi une « limite de vitesse » très stricte sur la fréquence à laquelle cela pourrait se produire. Ils ont calculé que si cette désintégration se produit, elle se produit moins de 4,6 fois sur 100 millions de désintégrations de mésons B (pour un type) et moins de 5,9 fois sur 100 millions (pour l'autre).

Pourquoi Cela Compte (Selon l'Article)

L'article indique que même s'ils n'ont pas trouvé le « fantôme », c'est toujours une victoire pour la science.

• Meilleurs Outils : Ils ont considérablement amélioré leurs méthodes par rapport aux études précédentes, en particulier pour mieux repérer quand des pions se font passer pour des muons.
• Règles Plus Strictes : Ils ont désormais établi les limites les plus strictes de l'histoire sur ce type spécifique de désintégration.
• La Grande Image : Bien que les prédictions théoriques pour cet événement soient si rares que même cette expérience massive est probablement trop petite pour les voir, ce travail aide à cartographier l'« espace de recherche ». Il indique aux futurs scientifiques exactement où chercher et à quel point leurs prochains détecteurs doivent être sensibles pour enfin apercevoir ces neutrinos de Majorana.

En bref : Les détectives ont cherché très dur un échange de particules enfreignant les règles, n'ont rien trouvé et ont déclaré : « Si cela se produit, c'est plus rare que nous ne le pensions. » Cela aide à affiner la carte des lois fondamentales de l'univers.

Résumé technique

Résumé technique : Recherche de désintégrations $B^- \to D^{(*)+} \mu^- \mu^-$ violant le nombre leptonique

Problème et motivation
La nature fondamentale des neutrinos — qu'ils soient des fermions de Dirac ou de Majorana — reste une question ouverte en physique des particules. Établir la nature de Majorana des neutrinos est un objectif principal, généralement poursuivi par l'observation de la désintégration double bêta sans neutrinos ($0\nu\beta\beta$). Alors que les expériences de $0\nu\beta\beta$ sondent les couplages aux électrons, des recherches analogues dans le secteur de la saveur lourde peuvent sonder les couplages aux muons. Cet article présente une recherche de désintégrations violant le nombre leptonique (LNV) de la forme $B^- \to D^{(*)+} \mu^- \mu^-$. De tels processus sont interdits dans le Modèle standard (MS) et indiqueraient l'existence de neutrinos de Majorana. L'analyse se concentre sur une topologie spécifique où le méson charme et les deux muons de même signe proviennent d'un vertex commun, correspondant à des scénarios impliquant des neutrinos de Majorana légers ($m_N < m_\pi$) ou lourds ($m_N > m_B$), tels que discutés dans la littérature théorique [11, 12].

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton collectées par l'expérience LHCb à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 5,4 fb$^{-1}$ (2016–2018). La recherche reconstruit les désintégrations de signal via les canaux d'hadrons charme $D^+ \to K^-\pi^+\pi^+$ et $D^{*+} \to D^0(\to K^-\pi^+)\pi^+$.

Les composants méthodologiques clés incluent :

• Sélection des événements : Les candidats sont sélectionnés en exigeant un vertex commun pour la $D^{(*)+}$ et les deux muons de même signe. Des ajustements cinématiques contraignent les masses invariantes des états charme intermédiaires à des valeurs connues. Des exigences strictes sur le paramètre d'impact ($\chi^2_{IP}$) et des critères d'identification des particules (PID) sont appliqués pour supprimer les bruits de fond provenant de pions mal identifiés comme des muons.
• Suppression du bruit de fond : Un classificateur par arbre de décision boosté (BDT) est employé pour séparer le signal du bruit de fond combinatoire. L'entraînement utilise des échantillons de signal simulés et des échantillons de bruit de fond dérivés des données (zones latérales de masse).
• Modélisation du bruit de fond : Les bruits de fond dominants proviennent de désintégrations mal identifiées, spécifiquement $B^- \to D^{(*)+} \pi^- \mu^- \nu_\mu$ (mal identification simple) et $B^- \to D^{(*)+} \pi^- \pi^-$ (double mal identification). L'analyse introduit une correction sophistiquée pour la mal identification des pions en muons, tenant compte des pions se désintégrant en vol. Cela implique une calibration basée sur les données des taux de mal identification et un lissage simulé des résidus de quantité de mouvement pour modéliser avec précision les distorsions cinématiques causées par les effets de désintégration en vol.
• Normalisation : Les fractions de branchement sont mesurées par rapport au canal de normalisation $B^- \to \psi(2S)(\to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\pi^+\pi^-)K^-$, qui partage le même contenu en particules de l'état final.
• Analyse statistique : Un ajustement de vraisemblance maximale non binné étendu est effectué sur les distributions de masse invariante de la $B^-$. Le rendement du signal est extrait tout en contraignant les rendements des bruits de fond mal identifiés sur la base de la simulation et des données de calibration. Des limites supérieures sont fixées en utilisant la méthode $CL_s$.

Contributions clés
Ce travail représente une amélioration significative par rapport aux recherches précédentes de LHCb [4] dans plusieurs domaines :

1. Taille de l'ensemble de données : Utilisation d'un ensemble de données plus large (5,4 fb$^{-1}$ contre des échantillons plus petits précédemment).
2. Estimation du bruit de fond : Un traitement raffiné des bruits de fond provenant de pions mal identifiés comme des muons. L'article aborde explicitement les effets de dégradation de la quantité de mouvement des pions se désintégrant en vol, un facteur non entièrement pris en compte dans les études antérieures. Cela est réalisé grâce à un échantillon de calibration dédié et à une procédure de lissage de la quantité de mouvement appliquée à la simulation.
3. Optimisation de la sélection : La mise en œuvre d'un classificateur BDT pour supprimer le bruit de fond combinatoire et des exigences PID plus strictes pour réduire les probabilités de mal identification des pions à moins de 1 % par trace.
4. Contrôle systématique : Une évaluation complète des incertitudes systématiques, incluant la dépendance au modèle de désintégration, la calibration PID et les variations d'efficacité du déclenchement.

Résultats
Aucun signal significatif n'est observé dans les canaux $B^- \to D^+ \mu^- \mu^-$ ou $B^- \to D^{*+} \mu^- \mu^-$. Les rendements de signal observés sont cohérents avec les fluctuations du bruit de fond ($9,0 \pm 5,3$ événements pour $D^+$ et $-1,7 \pm 2,1$ événements pour $D^{*+}$).

Par conséquent, des limites supérieures sur les fractions de branchement sont fixées au niveau de confiance de 95 % (CL) :

• $\mathcal{B}(B^- \to D^+ \mu^- \mu^-) < 4,6 \times 10^{-8}$
• $\mathcal{B}(B^- \to D^{*+} \mu^- \mu^-) < 5,9 \times 10^{-8}$

Ces limites représentent une amélioration d'un ordre de grandeur par rapport aux résultats précédents [4].

Signification
L'article affirme que, bien que la sensibilité atteinte soit encore loin des prédictions théoriques pour les désintégrations induites par des neutrinos de Majorana (qui sont prédites au niveau de $O(10^{-23})$ à $O(10^{-22})$), les résultats établissent les limites les plus strictes à ce jour sur ces modes de désintégration LNV spécifiques. L'étude démontre la capacité expérimentale à effectuer des recherches indépendantes du modèle de désintégrations sans neutrinos dans le système des mésons B et fournit une stratégie affinée pour de futures mesures plus sensibles. Les améliorations dans la modélisation et la suppression du bruit de fond servent de fondement aux analyses ultérieures dans la recherche de physique au-delà du Modèle standard.