Observation of the charmless purely baryonic decay $\Lambda_b^{0} \to \Lambda p \bar{p}$ at LHCb

En utilisant l'ensemble des données du Run 2 de LHCb, cette étude rapporte la première observation du désintégration baryonique purement sans charme $\Lambda_b^{0} \to \Lambda p \bar{p}$ avec une signification de 5,1 sigma et en mesure son rapport d'embranchement par rapport au mode de normalisation $\Lambda_b^{0} \to \Lambda K^+K^-$.

L'essentiel

🕵️‍♂️ L'Histoire : La Chasse au "Fantôme" Baryonique

Imaginez l'univers comme une immense usine de construction où des particules géantes (les hadrons de beauté) naissent et meurent constamment. La plupart du temps, ces géants se désintègrent en produits de base bien connus. Mais parfois, ils font des choses très étranges et rares.

Les physiciens de l'expérience LHCb (un détecteur géant au CERN) ont passé les dernières années à surveiller une particule spécifique appelée $\Lambda_b^0$ (Lambda-b-zéro). C'est un peu comme un père de famille très lourd qui, en mourant, laisse derrière lui une famille de trois enfants : un Lambda ($\Lambda$), un proton ($p$) et un antiproton ($\bar{p}$).

Le problème ? C'est une transformation extrêmement rare. C'est comme si vous cherchiez une aiguille dans une botte de foin, mais que l'aiguille était faite de poussière d'étoile et que la botte de foin était l'univers entier. De plus, cette transformation est "sans charme", ce qui signifie qu'elle ne passe pas par des étapes intermédiaires habituelles, rendant le processus encore plus mystérieux.

🔍 La Méthode : Comparer pour Comprendre

Pour trouver cette aiguille, les scientifiques n'ont pas compté chaque particule une par une (ce serait trop long et imprécis). Ils ont utilisé une astuce de détective : la comparaison.

1. Le Témoin de Référence : Ils ont choisi une autre désintégration très similaire, le $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$. Imaginez que le proton et l'antiproton soient remplacés par deux jumeaux (un kaon positif et un kaon négatif). Cette transformation est beaucoup plus fréquente et bien connue. C'est notre "étalon-or".
2. La Balance : Au lieu de dire "Combien de fois le $\Lambda_b^0$ devient $\Lambda p \bar{p}$ ?", ils ont demandé : "Combien de fois le $\Lambda_b^0$ devient $\Lambda p \bar{p}$ par rapport à la fois où il devient $\Lambda K^+ K^-$ ?"
   • C'est comme si vous vouliez savoir combien de fois vous mangez une pomme rare dans un an. Au lieu de compter toutes les pommes, vous comptez combien de fois vous mangez une pomme rare par rapport au nombre de bananes que vous mangez chaque jour (que vous connaissez très bien).

🎯 La Chasse aux Preuves

Les chercheurs ont analysé 6,0 fb⁻¹ de données. Pour faire simple, c'est l'équivalent de regarder des milliards de collisions de particules qui se sont produites entre 2015 et 2018.

Ils ont divisé leur enquête en deux catégories, un peu comme deux types de caméras de sécurité :

• Les "Longues" (LL) : Les particules voyagent loin avant de se désintégrer, comme un train qui s'arrête loin de la gare.
• Les "Descendantes" (DD) : Les particules se désintègrent très vite, juste après le départ, comme un train qui déraille immédiatement.

En combinant les preuves de ces deux caméras, ils ont construit un modèle mathématique pour trier le vrai signal du bruit de fond (les accidents de la route cosmique qui ressemblent à notre particule mais ne le sont pas).

🎉 Le Résultat : Le "Oui !" de la Science

Après avoir éliminé tous les biais et vérifié leurs calculs (ils ont même attendu la fin de l'analyse pour regarder les résultats, comme un juge qui ne lit pas le verdict avant la fin du procès), ils ont trouvé la preuve irréfutable :

• La Découverte : Ils ont vu le signal du $\Lambda_b^0 \to \Lambda p \bar{p}$ ! C'est la première fois que l'on observe ce type de désintégration "pure" (un baryon qui donne d'autres baryons) sans particules de "charme" au milieu.
• La Confiance : En science, pour crier "Eureka !", il faut un niveau de certitude très élevé (5 "sigmas"). Ici, ils ont atteint 5,1 sigmas.
  • Analogie : Si vous lancez une pièce de monnaie, avoir 5 sigmas, c'est comme obtenir "Face" 50 fois de suite. La probabilité que ce soit un hasard est infime (moins d'une chance sur un milliard). C'est une découverte officielle.

📊 Ce que cela signifie concrètement

Ils ont mesuré la "fréquence" de cet événement rare.

• Pour environ 100 fois où le $\Lambda_b^0$ se transforme en $\Lambda K^+ K^-$ (le cas courant), il se transforme en $\Lambda p \bar{p}$ (le cas rare) environ 0,05 fois.
• C'est très rare, mais c'est là !

Ils ont aussi regardé une autre particule, le $\Xi_b^0$, qui pourrait faire la même chose. Ils ont vu une petite lueur (une "excès" de 2,3 sigmas), mais pas assez forte pour crier victoire. C'est comme voir une ombre suspecte dans la forêt : on sait qu'il y a quelque chose, mais il faut plus de lumière pour confirmer.

🔮 Pourquoi est-ce important ?

C'est comme si on découvrait une nouvelle règle de grammaire dans la langue de l'univers.

1. Comprendre la force forte : Cela nous aide à comprendre comment les particules collantes (les quarks) s'assemblent et se séparent.
2. Chercher l'asymétrie : Les physiciens espèrent que ce type de désintégration pourrait révéler pourquoi l'univers est fait de matière et pas d'antimatière (un mystère majeur).
3. L'avenir : Avec les nouvelles données qui arrivent (Run 3 du LHC), ils pourront étudier ces événements encore plus en détail, comme passer d'une photo floue à une vidéo en haute définition.

En résumé : Les scientifiques du LHCb ont réussi à attraper un "fantôme" subatomique très rare, prouvant que même les désintégrations les plus étranges de l'univers peuvent être observées et comprises. C'est une victoire majeure pour la physique des particules !

Résumé technique

Titre : Observation du désintégration baryonique pure sans charme $\Lambda^0_b \to \Lambda p \bar{p}$

1. Problématique et Contexte

Les désintégrations purement baryoniques des hadrons contenant un quark beauté (b) offrent un laboratoire unique pour étudier la dynamique des états finaux baryoniques à plusieurs corps et rechercher des effets de violation de CP dans des systèmes à structure de spin riche.

• État des lieux : Bien que plusieurs désintégrations baryoniques de mésons B aient été observées récemment, les désintégrations purement baryoniques des baryons restent largement inexplorées. À ce jour, les seuls modes purement baryoniques établis expérimentalement sont $\Lambda^0_b \to \Sigma^+_c \bar{p} p$ et $\Lambda^0_b \to \Sigma^{*+}_c \bar{p} p$, observés par la collaboration LHCb.
• Objectif : Cette étude présente la première recherche dédiée d'une désintégration purement baryonique d'un baryon et la première observation d'un tel mode sans charme (charmless) : $\Lambda^0_b \to \Lambda p \bar{p}$.
• Prédictions théoriques : Les calculs théoriques prédisent une fraction de branchement de l'ordre de $(3.2^{+0.8}_{-0.3} \pm 0.4 \pm 0.7) \times 10^{-6}$, avec des incertitudes liées aux effets non factorisables, aux éléments de la matrice CKM et aux facteurs de forme hadroniques.

2. Méthodologie et Stratégie d'Analyse

L'analyse repose sur l'ensemble complet des données de la Run 2 du LHCb (2015–2018), correspondant à une luminosité intégrée de 6,0 fb⁻¹.

• Reconstruction et Catégories :
  • Le baryon $\Lambda$ est reconstruit via sa désintégration $\Lambda \to p \pi^-$.
  • Les candidats sont divisés en deux catégories selon la trajectoire des produits de désintégration :
    • Longues (LL) : Les deux traces sont reconstruites dans le détecteur de vertex.
    • En aval (DD) : Le $\Lambda$ se désintègre en dehors de l'acceptation du détecteur de vertex (environ la moitié des candidats).
• Mode de Normalisation :
  • La mesure est effectuée de manière relative par rapport au mode de normalisation topologiquement similaire : $\Lambda^0_b \to \Lambda K^+ K^-$.
  • Le rapport mesuré est défini comme : $R_{\Lambda^0_b} = \frac{\mathcal{B}(\Lambda^0_b \to \Lambda p \bar{p})}{\mathcal{B}(\Lambda^0_b \to \Lambda K^+ K^-)}$.
  • Cette approche réduit considérablement les incertitudes systématiques liées à l'acceptation du détecteur et à l'efficacité de reconstruction.
• Sélection et Classification :
  • Une sélection commune est appliquée aux deux modes, incluant des déclencheurs matériels et logiciels, une reconstruction hors ligne, et un classificateur XGBoost entraîné sur des simulations et des données de bande latérale.
  • Des exigences d'identification des particules (PID) sont appliquées aux hadrons compagnons.
  • Une contrainte cinématique $m(h^+h^-) < 2,85$ GeV est imposée pour exclure la région des résonances de charmonium.
• Modélisation et Ajustement (Fit) :
  • Un ajustement simultané par vraisemblance maximale non binnée (extended unbinned maximum-likelihood) est réalisé sur les quatre spectres de masse invariante (modes signal et normalisation, catégories LL et DD).
  • Les formes de signal sont modélisées par des fonctions Crystal Ball à double face, tandis que le bruit de fond combinatoire est décrit par des fonctions exponentielles.
  • Un terme pour la désintégration $\Xi^0_b \to \Lambda p \bar{p}$ est inclus dans l'ajustement du signal (décalé d'environ 175 MeV par rapport au pic $\Lambda^0_b$).
• Corrections d'Efficacité :
  • Les rapports d'efficacité sont corrigés pour les différences données-simulation (suivi, déclenchement, PID).
  • Des cartes d'efficacité sont construites à partir de la simulation et pondérées par les distributions de Dalitz observées dans les données (méthode sPlot) pour tenir compte de la non-uniformité de l'espace de phase à trois corps.

3. Résultats Clés

• Signification Statistique :
  • Une signification statistique de 5,2$\sigma$ est obtenue pour le signal $\Lambda^0_b \to \Lambda p \bar{p}$ (test du rapport de vraisemblance sous l'hypothèse nulle).
  • Après inclusion des incertitudes systématiques, la signification reste à 5,1$\sigma$, confirmant la première observation de ce mode.
• Yields (Nombre d'événements) :
  • $\Lambda^0_b \to \Lambda p \bar{p}$ : $39,3 \pm 9,7$ événements.
  • $\Lambda^0_b \to \Lambda K^+ K^-$ : $640 \pm 31$ événements.
• Mesure du Rapport de Branchement :
  • Le rapport relatif mesuré dans la région $m(h^+h^-) < 2,85$ GeV est :
    $$R_{\Lambda^0_b} = (5,13 \pm 1,28_{\text{stat}} \pm 0,27_{\text{syst}}) \times 10^{-2}$$
  • Les résultats séparés par catégorie sont : $R_{DD} = (4,80 \pm 1,91) \times 10^{-2}$ et $R_{LL} = (5,39 \pm 1,74) \times 10^{-2}$.
• Recherche de $\Xi^0_b \to \Lambda p \bar{p}$ :
  • Un léger excès est observé avec une signification de 2,3$\sigma$. Aucune limite supérieure ou mesure de fraction de branchement n'est donnée pour ce mode en raison du manque de détermination d'efficacité dédiée et de la fraction d'hadronisation relative inconnue.
• Incertitudes Systématiques :
  • L'incertitude systématique totale est de 5,3%. Les contributions dominantes proviennent de l'efficacité de suivi (4,3%), de la modélisation de l'ajustement (2,8%) et de la taille limitée des échantillons simulés (1,0%).

4. Contributions et Signification

• Première Observation : Ce travail constitue la première observation d'une désintégration purement baryonique sans charme d'un baryon ($\Lambda^0_b \to \Lambda p \bar{p}$).
• Validation Théorique : La mesure fournit une donnée expérimentale cruciale pour tester les calculs théoriques impliquant des effets non factorisables et des facteurs de forme hadroniques dans les désintégrations baryoniques.
• Perspectives Futures : Les données plus volumineuses de la Run 3 du LHCb permettront des études plus détaillées des spectres de masse invariante à deux corps, la recherche de violations de CP dans ce système, et une recherche plus approfondie du mode $\Xi^0_b \to \Lambda p \bar{p}$.

En résumé, cette analyse démontre la capacité du détecteur LHCb à isoler des signaux rares dans des canaux baryoniques complexes, ouvrant la voie à de nouvelles investigations sur la dynamique des quarks lourds dans les systèmes baryoniques.