Observation of $CP$ violation in $B^{0}\!\to{J\mskip-3mu/\mskip-2muψ}ρ(770)^0$ decays

En utilisant les données de collisions proton-proton de l'expérience LHCb pour la période 2015–2018, cet article rapporte la première observation de la violation de la symétrie de charge-parité ($CP$) dépendante du temps dans les désintégrations $B^{0}\!\to{J/\psi}\rho(770)^{0}$, fournissant des paramètres de violation de $CP$ précis qui, lorsqu'ils sont combinés avec des mesures antérieures sous la symétrie de saveur SU(3), offrent la contrainte la plus stricte à ce jour sur la contribution de diagramme de type « penguin » à la phase de violation de $CP$ dans les désintégrations $B^{0}_{s}\!\to{J/\psi}\phi(1020)$.

L'essentiel

Imaginez l'univers comme une immense piste de danse ultra-rapide où de minuscules particules appelées mésons B sont les danseurs. Habituellement, ces danseurs suivent une chorégraphie stricte dictée par le « Modèle Standard », qui est comme le livre de règles de la physique. Cependant, les physiciens adorent chercher les moments où les danseurs ne respectent pas les règles, plus précisément une règle appelée violation de la CP.

Considérez la violation de la CP comme un test du miroir. Si vous regardez un danseur dans un miroir, il devrait effectuer exactement les mouvements opposés. Mais parfois, le vrai danseur et son image dans le miroir font des choses légèrement différentes. Trouver ces différences est crucial car cela aide les scientifiques à comprendre pourquoi notre univers est composé de matière (nous) plutôt que d'être vide, ou pourquoi il n'y a pas une quantité égale de « antimatière ».

La Grande Découverte

Ce document de la collaboration LHCb du CERN rapporte une avancée majeure : ils ont enfin surpris un méson B en train de « briser les règles » dans un mouvement de danse spécifique appelé $B^0 \to J/\psi \rho(770)^0$.

Voici une décomposition simple de ce qu'ils ont fait et trouvé :

1. L'installation : Une caméra haute vitesse
Les scientifiques ont utilisé le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), une machine massive qui fracasse des protons les uns contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils ont agi comme une caméra haute vitesse, enregistrant des milliards de ces collisions sur quatre ans (2015–2018). Ils cherchaient une « danse » très spécifique où un méson B se désintègre en une particule $J/\psi$ (qui est comme un couple lourd et stable) et une particule $\rho(770)^0$ (qui est comme une paire de pions éphémère et énergique).

2. Le Problème : L'interférence « Fantôme »
Par le passé, les scientifiques voulaient mesurer un angle spécifique (appelé $\phi_s$) qui nous indique comment ces particules se mélangent et se transforment. Cependant, il y avait un « fantôme » dans la machine. En physique, il existe deux façons pour une particule de se désintégrer :

• Le Chemin Principal : La voie directe et rapide (comme prendre une autoroute).
• Le Chemin Penguin : Une boucle plus lente et plus complexe impliquant des particules virtuelles (comme prendre une route secondaire sinueuse).

Le chemin « Penguin » (nommé ainsi parce que le diagramme de Feynman ressemble un peu à un manchot) perturbe la mesure du chemin principal. C'est comme essayer de mesurer la vitesse d'une voiture sur une autoroute, mais qu'une route secondaire lente et sinueuse vient s'y engager, faisant ainsi osciller le compteur de vitesse. Les scientifiques devaient savoir exactement à quel point la « route secondaire » perturbait la mesure de l'« autoroute ».

3. La Solution : Le groupe témoin
Pour corriger cela, les scientifiques avaient besoin d'un « groupe témoin ». Ils ont observé une autre danse, très similaire, mais différente : $B^0 \to J/\psi \rho(770)^0$.

• Considérez la danse principale ($B_s$) comme un ballet complexe.
• Considérez cette nouvelle danse ($B^0$) comme une version plus simple du même ballet.

En mesurant comment le fantôme « Penguin » interférait avec la danse plus simple, ils pouvaient calculer mathématiquement à quel point il interférait avec le ballet complexe. C'est comme mesurer l'effet du vent sur une petite voiture jouet pour prédire comment il affectera une véritable voiture de course.

4. Le Résultat : Un signal clair
En utilisant une quantité massive de données (6 fois plus que leur tentative précédente), ils ont mesuré les « paramètres de violation de la CP » pour cette nouvelle danse.

• Ils ont trouvé une valeur de 0,710 radians pour le déphasage (le degré de rupture des règles).
• Ils ont constaté que la « symétrie miroir » était brisée avec une grande précision.

C'est la première fois que l'on observe ce type spécifique de violation de la CP dépendante du temps dans ce genre de désintégration. C'est comme si l'on entendait enfin un murmure dans une pièce bruyante parce qu'on a enfin construit un meilleur microphone.

5. Pourquoi c'est important
Parce qu'ils ont mesuré cet effet « Penguin » avec une telle précision dans le groupe témoin, ils ont pu maintenant corriger les mesures de la danse du ballet principal ($B_s \to J/\psi \phi$).

• Avant : La mesure de la danse principale était floue à cause du fantôme « Penguin ».
• Maintenant : Ils ont soustrait l'effet du fantôme et ont trouvé que le décalage « Penguin » est infime : 5,0 ± 4,2 milliradians.

L'essentiel

Ce document n'invente pas une nouvelle technologie ou ne guérit pas une maladie. Il s'agit plutôt d'une étape majeure dans la physique de précision.

• Ils ont prouvé qu'un type spécifique de désintégration de particule brise les règles de la symétrie (violation de la CP) pour la première fois.
• Ils ont utilisé cette nouvelle preuve pour nettoyer les données d'une autre désintégration de particule, plus importante ($B_s \to J/\psi \phi$).
• Le résultat est une image beaucoup plus nette et précise du fonctionnement de l'univers, confirmant que notre « livre de règles » actuel (le Modèle Standard) tient bon, mais avec des marges d'erreur beaucoup plus serrées.

En résumé : Ils ont trouvé un nouveau moyen de mesurer le « bruit » de l'univers afin de pouvoir entendre le « signal » beaucoup plus clairement.

Résumé technique

Résumé technique : Observation de la violation de la CP dans les désintégrations $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$

Problématique et motivation
Les études de la violation de la CP dans les mésons $B^0$ neutres sont cruciales pour tester le Modèle Standard (MS) et sonder une éventuelle nouvelle physique. Un observable primaire est la phase de violation de la CP $\phi_s$ associée au mélange $B^0_s$–$\bar{B}^0_s$. Dans le MS, $\phi_s$ est prédite à $-37,6^{+0,6}_{-0,5}$ mrad. Les mesures expérimentales actuelles dans le canal « doré » $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ donnent une moyenne de $\phi_s = -50 \pm 17$ mrad. Cependant, l'incertitude expérimentale est désormais comparable au décalage théorique, $\Delta\phi_s$, causé par les contributions de diagrammes de type penguin (boucles) négligées. Ces effets non perturbatifs de longue distance empêchent des calculs théoriques précis de $\Delta\phi_s$.

Pour contraindre ces effets de penguin, la collaboration LHCb utilise la symétrie de saveur SU(3) afin de relier les contributions de penguin dans $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ ($b \to c\bar{c}s$) à celles dans $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$ ($b \to c\bar{c}d$). Ce dernier canal sert de mode de contrôle avec une sensibilité accrue aux paramètres hadroniques de penguin. Des mesures antérieures utilisant les données du Run 1 (2011–2012) ont produit une contrainte sur $\Delta\phi_s$ de $0,9 \pm 9,8$ mrad, ce qui était insuffisant pour limiter significativement la contamination par les processus de penguin. Ce document présente une analyse actualisée utilisant les données du Run 2 afin d'améliorer la précision et, pour la première fois, d'observer la violation de la CP dépendante du temps dans ce mode de désintégration spécifique.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur LHCb à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV durant la période 2015–2018, correspondant à une luminosité intégrée de $6$ fb$^{-1}$. L'étude se concentre sur la chaîne de désintégration $B^0 \to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\rho(770)^0(\to \pi^+\pi^-)$.

• Reconstruction et sélection : Les candidats sont reconstruits dans la plage de masse invariante $[5250, 5500]$ MeV/$c^2$. Un classificateur de type arbre de décision boosté (BDT) supprime le bruit de fond combinatoire. Les bruits de fond de type « peaking » provenant de kaons et de protons mal identifiés sont éliminés via l'identification des particules, et les désintégrations $B^0 \to J/\psi K_S^0$ sont écartées (veto).
• Extraction du rendement : Un ajustement de type maximum de vraisemblance non classé (unbinned maximum-likelihood fit) est effectué sur la distribution $m(J/\psi\pi^+\pi^-)$ pour séparer le signal du bruit de fond combinatoire (modélisé par un polynôme de degré cinq) et des bruits de fond partiellement reconstruits (par exemple, $B^0_s \to J/\psi \eta' \rho^0 \gamma$). Le rendement du signal est d'environ 51 000 événements. Les bruits de fond résiduels sont soustraits statistiquement en utilisant des événements à poids négatif.
• Analyse d'amplitude : Un ajustement multidimensionnel pondéré par maximum de vraisemblance est réalisé sur les distributions soustraites du bruit de fond pour le temps de désintégration, la masse invariante $\pi^+\pi^-$ ($m_{\pi\pi}$) et les variables angulaires ($\cos\theta_\pi, \cos\theta_\mu, \chi$). L'ajustement est effectué simultanément sur six sous-échantillons définis par la période de prise de données et la catégorie de déclenchement (trigger).
• Efficacité et marquage (Tagging) : L'analyse tient compte des efficacités de détection non uniformes dans le temps de désintégration et les variables angulaires. L'efficacité du temps de désintégration est déterminée en utilisant le canal de contrôle $B^0 \to J/\psi K^{*0}$. Le marquage de saveur est effectué à l'aide d'algorithmes de côté opposé (opposite-side) et de même côté (same-side), avec un pouvoir de marquage effectif combiné de 4,5 %. Les candidats non marqués (12 % du signal) sont exclus de l'ajustement de la CP.
• Modélisation des résonances : Le spectre $m_{\pi\pi}$ est modélisé par six résonances : $\rho(770)^0$, $\rho(1450)^0$, $\rho(1700)^0$, $f_0(500)$, $f_2(1270)$ et $\omega(782)$. La composante $\rho(770)^0$ se voit assigner des paramètres de violation de la CP indépendants ($2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}}$ et $|\lambda|$), tandis que les autres résonances partagent un ensemble commun.
• Réduction de la dilution : Pour atténuer la dilution de l'asymétrie de CP causée par l'intégration dans l'espace des phases, une variable de temps de désintégration transformée $t'$ est utilisée, alignant les phases d'oscillation à travers différentes régions du diagramme de Dalitz.

Résultats clés
Les paramètres de violation de la CP dépendant du temps pour le processus $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$ sont mesurés comme suit :

• $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}} = 0,710 \pm 0,084 \text{ (stat)} \pm 0,028 \text{ (syst)}$ rad
• $|\lambda| = 1,019 \pm 0,034 \text{ (stat)} \pm 0,009 \text{ (syst)}$

La signification statistique d'une valeur non nulle pour $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}}$ est d'environ 10 écarts-types, établissant la première observation de la violation de la CP dépendante du temps dans les désintégrations de mésons $B$ vers des états finaux de charmonium médiés par une transition $b \to c\bar{c}d$. Les résultats ne montrent aucun indice d'effets dépendants de la polarisation, car les paramètres mesurés séparément pour différentes amplitudes de transversalité sont mutuellement cohérents.

En combinant ces résultats du Run 2 avec la mesure précédente du Run 1, on obtient :

• $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}} = 0,718 \pm 0,081$ rad
• $|\lambda| = 1,030 \pm 0,031$

En utilisant ces paramètres combinés et en supposant une symétrie de saveur SU(3) approximative, le décalage de penguin pour la phase de $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ est contraint à :

• $\Delta\phi_s = 5,0 \pm 4,2$ mrad

Une étude de la rupture de la symétrie de saveur SU(3), balayant le rapport d'amplitude et la différence de phase entre les transitions $b \to c\bar{c}d$ et $b \to c\bar{c}s$, indique que les incertitudes de rupture de symétrie pourraient augmenter l'erreur sur $\Delta\phi_s à un maximum de 6,4 mrad.

Signification
Ce travail constitue la première observation de la violation de la CP dépendante du temps dans les désintégrations $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$. La précision de la mesure est environ deux fois supérieure à celle du résultat précédent de LHCb. En fournissant la contrainte la plus stricte à ce jour sur la contribution de penguin ($\Delta\phi_s$) à la phase de violation de la CP de $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$, ces résultats sont essentiels pour les tests de précision du Modèle Standard. Les paramètres mesurés servent d'entrées critiques pour les analyses globales visant à déterminer simultanément les phases $2\beta$ et $\phi_s$ en présence de pollution par les processus de penguin.