Observation of the decay $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J\mskip -3mu/\mskip -2mu\psi \mu^+\mu^-$

À l'aide de 9 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton issues du détecteur LHCb, cet article rapporte la première observation de la désintégration $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \mu^+\mu^-$ avec une signification de 6,5$\sigma$ et mesure son rapport d'embranchement par rapport au mode $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \pi^+\pi^-$ à $(1,68\pm 0,32\pm 0,05)\times10^{-3}$.

L'essentiel

La Grande Chasse aux Particules : Trouver un Fantôme dans la Machine

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN comme le briseur de particules le plus puissant au monde. Il projette des protons les uns contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière, créant une explosion chaotique de débris subatomiques. La plupart de ces débris sont ennuyeux et prévisibles, mais parfois, cachés dans le chaos, se trouvent des particules rares et exotiques qui ne respectent pas le manuel standard de la physique.

Ce rapport présente la chasse réussie de l'expérience LHCb à un tel événement rare : une désintégration spécifique de type « fantôme » d'une particule appelée $\chi_{c1}(3872)$.

La Particule Mystère : $\chi_{c1}(3872)$

Considérez le $\chi_{c1}(3872)$ comme un invité mystérieux à une fête. Nous savons qu'il existe et nous connaissons son nom, mais les scientifiques débattent encore de ce qu'il est réellement.

• S'agit-il d'une particule « charmonium » standard (un quark lourd et son antiquark se tenant la main) ?
• S'agit-il d'un « tétraquark » (quatre quarks collés ensemble) ?
• S'agit-il d'une « molécule » composée de deux autres particules faiblement liées ?

Pour résoudre ce mystère, les scientifiques doivent observer comment cette particule se comporte lorsqu'elle se désintègre. Plus nous pouvons observer de façons dont elle se désintègre, mieux nous pourrons comprendre sa véritable nature.

La Nouvelle Découverte : Une Rupture Rare

Pendant longtemps, les scientifiques savaient que le $\chi_{c1}(3872)$ se désintègre souvent en un $J/\psi$ (une particule lourde) et deux pions (particules légères). C'est comme si la particule brisait un vase en un lourd pot et deux petits cailloux. Cela se produit fréquemment.

Cependant, ce rapport annonce la première fois que quelqu'un a observé le $\chi_{c1}(3872)$ se désintégrer en un $J/\psi$ et deux muons (des cousins lourds des électrons).

• L'Analogie : Imaginez que vous avez un jouet qui se brise habituellement en un bloc lourd et deux petites billes. Vous avez vu cela se produire des milliers de fois. Mais soudain, vous le voyez se briser en un bloc lourd et deux lourdes boules de bowling. C'est le même jouet, mais une façon beaucoup plus rare et étrange de se briser.

L'équipe a analysé des données de 2011 à 2018 (environ 9 « femtobarns inverses » de données, ce qui est une façon élégante de dire « une quantité massive de registres de collisions »). Ils ont trouvé 60 de ces événements rares. La certitude statistique que ce n'était pas simplement du bruit aléatoire est de 6,5 sigma. Dans le monde de la physique des particules, 5 sigma est la norme d'or pour une « découverte », donc 6,5 est un « Oui, nous l'avons vu ! » très confiant.

Comment Ils L'Ont Trouvé (Le Travail d'Enquête)

Trouver ces événements rares revient à trouver une aiguille spécifique dans une botte de foin de la taille d'une ville, où l'aiguille ressemble presque exactement à un brin de paille.

1. Le Filtre (Déclencheur) : Le système informatique agit comme un videur dans une boîte de nuit, ne laissant entrer que les événements qui semblent prometteurs (comme avoir deux muons).
2. L'Enquêteur (BDT) : L'équipe a utilisé un « Arbre de Décision Boosté » (BDT), qui est essentiellement un algorithme informatique ultra-intelligent entraîné à repérer des motifs. Il a été appris à distinguer les vrais muons des pions qui feignent d'être des muons (un tour commun en physique des particules).
   • Analogie : Imaginez un agent de sécurité qui doit faire la différence entre un vrai diamant et un morceau de verre qui ressemble à un diamant. Le BDT est le garde qui a étudié des milliers de diamants et sait exactement comment la lumière se réfléchit sur le vrai.
3. La Comparaison : Pour mesurer à quel point cet événement est rare, ils l'ont comparé à la désintégration « caillou » courante ($J/\psi$ + pions). Ils ont découvert que pour chaque 1 000 fois où la particule se brise en cailloux, elle se brise en boules de bowling (muons) environ 1,7 fois.

Ce Que Cela Signifie

Le rapport conclut que cette désintégration rare se produit avec une fraction de branchement d'environ $1,68 \times 10^{-3}$ par rapport à la désintégration courante.

• La Vérification de la Prédiction : Avant cette expérience, un article théorique prédisait que cette désintégration se produirait environ 4 fois sur 100 000. La nouvelle mesure est d'environ 7 fois sur 100 000. Bien que ce ne soit pas une correspondance exacte, le nouveau résultat est assez proche de la prédiction pour dire : « D'accord, nos théories actuelles ne sont pas totalement fausses, mais nous devons regarder de plus près. »

L'Essentiel

Ce rapport ne prétend pas avoir résolu le mystère de ce que le $\chi_{c1}(3872)$ est pour l'instant. Au lieu de cela, il a ouvert une nouvelle porte. En prouvant que cette particule peut se désintégrer en muons, les scientifiques disposent désormais d'un nouvel outil pour l'étudier.

Les auteurs suggèrent qu'avec encore plus de données à l'avenir, ils pourraient être en mesure de voir comment la désintégration se produit — si elle est pilotée par un « photon virtuel » (une éruption fugace de lumière) ou par la création d'autres particules comme le méson $\omega$. Cela pourrait enfin les aider à décider si le $\chi_{c1}(3872)$ est un tétraquark compact, une molécule lâche ou quelque chose d'autre entièrement.

En bref : Ils ont trouvé un moyen très rare et étrange dont une particule mystérieuse se brise, confirmant son existence et offrant aux physiciens une nouvelle piste pour résoudre le mystère vieux de 20 ans de ce que cette particule est réellement.

Résumé technique

Résumé technique : Observation de la désintégration $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$

Problème et motivation
Au cours des deux dernières décennies, la nature de l'état $\chi_{c1}(3872)$ (anciennement $X(3872)$) est restée un sujet de débat intense au sein du domaine de la spectroscopie des hadrons. Bien que son existence et ses nombres quantiques ($J^{PC} = 1^{++}$) soient bien établis, sa structure interne fait l'objet de controverses, avec des hypothèses allant d'un tétraquark compact à une molécule $D^{*0}D^0$ faiblement liée, ou encore à un mélange de composantes de charmonium et moléculaires. Pour élucider cette nature, des études supplémentaires de ses modes de désintégration sont nécessaires.

La désintégration $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$ présente un intérêt particulier car elle implique une paire de muons. Des considérations théoriques suggèrent que, à faible masse de la paire de muons, la désintégration est dominée par un pôle de photon virtuel, tandis qu'à des masses plus élevées, des contributions provenant de mésons $\rho^0$ et $\omega$ réels sont attendues. Le méson $\omega$ se couple plus fortement à la paire de muons que le $\rho^0$, ce qui pourrait rendre la contribution du $\omega$ plus prépondérante dans le mode $J/\psi\mu^+\mu^-$ par rapport au mode analogue $J/\psi\pi^+\pi^-$. Avant ce travail, ce canal de désintégration avait reçu peu d'attention, avec une seule estimation théorique prédisant une fraction de branchement de $(4,2 \pm 1,7) \times 10^{-5}$ basée sur les contributions de la désintégration de Dalitz. De plus, la présence potentielle de l'état $\chi_{c0}(3915)$ dans le spectre de masse invariante de la paire de muons au-dessus du seuil du $\omega$ a été notée comme un facteur nécessitant une prise en compte dans la modélisation du bruit de fond.

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton collectées par le détecteur LHCb entre 2011 et 2018, correspondant à une luminosité intégrée de $9 \text{ fb}^{-1}$ ($3 \text{ fb}^{-1}$ à $\sqrt{s} = 7, 8$ TeV et $6 \text{ fb}^{-1}$ à 13 TeV). L'étude se concentre sur des candidats $\chi_{c1}(3872)$ déplacés provenant de la désintégration d'hadrons beauté à vie longue.

• Sélection : L'analyse sélectionne des candidats $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ déplacés par rapport au vertex d'interaction primaire. Ceux-ci sont combinés avec une paire de traces de charges opposées identifiées comme des muons (pour le signal) ou des pions (pour le mode de normalisation, $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$).
• Suppression du bruit de fond : Pour rejeter le bruit de fond provenant de pions mal identifiés comme des muons dans le mode signal, un classificateur Boosted Decision Tree (BDT1) est entraîné à l'aide de simulations et validé avec le mode de contrôle $\chi_{c1}(1P) \to J/\psi\mu^+\mu^-$. Un deuxième BDT (BDT2) est utilisé pour réduire le bruit de fond combinatoire provenant de combinaisons aléatoires de $J/\psi$ et de muons.
• Modélisation de la masse : Le rendement du signal est extrait via un ajustement de vraisemblance maximale étendue non binné de la distribution de masse invariante $J/\psi\mu^+\mu^-$. La forme de raie du signal est modélisée par une fonction de Breit-Wigner convoluée avec une fonction Crystal Ball à double face. Le bruit de fond combinatoire est modélisé par un polynôme du premier ordre multiplié par un facteur d'espace de phase. L'ajustement inclut des composantes pour le signal $\chi_{c1}(3872)$, le bruit de fond combinatoire, le bruit de fond dû à la mauvaise identification des pions, et une contribution potentielle du $\chi_{c0}(3915)$. Les candidats de même signe ($J/\psi\mu^\pm\mu^\pm$) sont utilisés pour contraindre la forme du bruit de fond.
• Efficacité et normalisation : La fraction de branchement est mesurée par rapport au mode abondant $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$. Les efficacités relatives de détection et de sélection sont évaluées à l'aide de simulations, avec des corrections appliquées pour l'identification des particules (PID) et les différences de performance du BDT entre les données et la simulation.

Contributions et résultats clés
L'article rapporte la première observation de la désintégration $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$.

• Significativité : Le signal est observé avec une significativité statistique de $6,5\sigma$, incluant les incertitudes systématiques liées au modèle de masse.
• Rendements : Le rendement ajusté total pour le signal est de $60 \pm 11$ événements sur les périodes Run 1 et Run 2. La masse ajustée est de $3872,58 \pm 0,83$ MeV. Le rendement pour l'état $\chi_{c0}(3915)$ est trouvé être de $14 \pm 14$, indiquant que l'ensemble de données actuel est insuffisant pour tirer des conclusions solides sur sa présence dans ce canal.
• Rapport des fractions de branchement : Le rapport des fractions de branchement est mesuré comme suit :
  $$\frac{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-)}{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-)} = (1,68 \pm 0,32 \pm 0,05) \times 10^{-3}$$
  où la première incertitude est statistique et systématique non corrélée, et la seconde est systématique corrélée.
• Fraction de branchement absolue : En utilisant la fraction de branchement connue pour le mode de normalisation, la fraction de branchement absolue est déterminée comme suit :
  $$\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-) = (7,2 \pm 2,7) \times 10^{-5}$$
  Ce résultat est cohérent avec la prédiction théorique de $(4,2 \pm 1,7) \times 10^{-5}$ trouvée dans la référence [15], qui ne considère que la contribution de Dalitz.

Signification du travail
Les auteurs déclarent que cette première observation pourrait aider à élucider la nature de l'état $\chi_{c1}(3872)$ et à identifier des voies potentielles pour de futures investigations. L'article note qu'avec un ensemble de données plus important, il sera possible d'étudier les facteurs de forme de la désintégration pour démêler les contributions du photon virtuel et des mésons $\rho^0$ ou $\omega$. De plus, un ensemble de données plus important permettrait une investigation plus détaillée de l'augmentation cohérente avec l'état $\chi_{c0}(3915)$ afin de déterminer quels états sont présents dans cette région de masse. Ce travail s'appuie sur des observations précédentes de désintégrations de Dalitz muoniques similaires des mésons $\chi_c$ et $\chi_b$.