Flavour changing charged current decays at LHCb

Cet article présente les mesures LHCb des fractions de branchement de la désintégration $\Lambda \to p \mu^{-} \bar{\nu}_{\mu}$ et des paramètres de forme factorielle de la désintégration $B^0 \to D^{*+} \mu^{-} \nu_{\mu}$, qui constituent des sondes puissantes pour tester le Modèle Standard et rechercher une nouvelle physique via les courants chargés.

L'essentiel

🕵️‍♀️ Les Détectives du LHCb : Chasse aux Particules Fantômes

Imaginez le LHCb (un détecteur géant au CERN) comme un immense laboratoire de police scientifique. Son travail ? Observer les collisions de particules pour comprendre les règles secrètes de l'univers, ce qu'on appelle le Modèle Standard.

Parfois, l'univers semble faire des "tricheries" ou des erreurs dans ses calculs. Les physiciens cherchent ces anomalies pour découvrir de nouvelles lois de la physique (la "Nouvelle Physique").

Ce rapport, présenté par Biljana Mitreska, raconte deux grandes enquêtes récentes menées par l'équipe LHCb.

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🧐 Enquête n°1 : Le Mystère du "Lambda" (Λ)

Le Scénario :
Certains atomes instables, appelés hyperons (comme le Lambda), se désintègrent en libérant d'autres particules. L'un d'eux, le Λ, se transforme en un proton, un muon (un cousin lourd de l'électron) et... un neutrino.

Le Problème :
Le neutrino est le "fantôme" ultime : il traverse tout sans laisser de trace. Le détecteur LHCb ne peut pas le voir directement. C'est comme essayer de deviner le poids d'un sac de pommes en regardant seulement les pommes qui tombent, sans voir le sac.

La Solution (L'astuce de détective) :
Les physiciens ont utilisé une méthode ingénieuse :

1. Ils ont comparé la désintégration "fantôme" (Λ → proton + muon + neutrino) avec une désintégration "normale" et facile à voir (Λ → proton + pion).
2. En regardant la direction et la vitesse des particules visibles (le proton et le muon), ils ont pu déduire où le neutrino devait être parti, un peu comme un détective qui reconstitue la trajectoire d'une balle perdue en regardant les impacts sur le mur.
3. Ils ont filtré le "bruit" (les fausses pistes) en traçant une zone de sécurité sur un graphique : si les particules visibles ne rentrent pas dans cette zone, c'est qu'il ne s'agit pas du bon événement.

Le Résultat :
Ils ont mesuré avec une précision record la probabilité que ce phénomène se produise.

• Pourquoi c'est important ? Cela permet de vérifier une règle fondamentale appelée Universalité de la saveur leptonique. En gros, l'univers devrait traiter les électrons et les muons exactement de la même façon.
• Le verdict : Pour l'instant, tout semble respecter la règle ! Leurs mesures correspondent parfaitement aux prédictions théoriques. C'est une victoire pour la théorie actuelle, mais les physiciens continuent de chercher des failles.

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🎭 Enquête n°2 : La Danse du "B0" (B0 → D* muon neutrino)

Le Scénario :
Cette fois, on observe une particule appelée B0 qui se transforme en une particule D*, un muon et un neutrino.

Le Défi :
Au lieu de juste compter combien de fois cela arrive, les physiciens veulent comprendre comment cela arrive. C'est comme regarder une danse : qui tourne dans quel sens ? À quelle vitesse ?
Pour cela, ils doivent mesurer des facteurs de forme. Imaginez que la particule B0 est une boîte mystère. Les "facteurs de forme" sont la description précise de la forme de cette boîte et de la façon dont elle se brise.

La Méthode :
Ils ont analysé des millions de collisions (3 ans de données) et ont regardé 5 angles différents en même temps (une analyse en 5 dimensions !). C'est comme essayer de comprendre la forme d'un objet en regardant ses ombres sous 5 angles différents simultanément.
Ils ont utilisé trois modèles mathématiques différents (CLN, BGL, BLPR) pour décrire cette "danse".

Le Résultat :

• C'est la première fois que LHCb fait cette mesure précise avec ce type de particule.
• Les résultats montrent que les différentes méthodes de calcul (les trois modèles) s'accordent entre elles.
• De plus, leurs mesures correspondent bien aux calculs des super-ordinateurs (la "Chromodynamique Quantique sur réseau") qui simulent la physique des particules.

Pourquoi c'est génial ?
Avant, on devait faire des hypothèses sur la forme de la "boîte" (les facteurs de forme). Maintenant, LHCb a mesuré cette forme directement. C'est comme passer d'une estimation approximative à une photo haute définition. Cela aide à nettoyer les calculs théoriques et à mieux comprendre si des particules invisibles (Nouvelle Physique) se cachent dans les détails.

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🚀 Conclusion : Vers l'Avenir

Ce rapport nous dit deux choses essentielles :

1. La précision est là : LHCb a amélioré la précision de ses mesures par deux (pour le Lambda) et a ouvert une nouvelle fenêtre d'observation (pour le B0).
2. L'avenir est brillant : Avec les futures mises à niveau du détecteur, ils pourront collecter encore plus de données. L'objectif ? Réduire les erreurs de mesure à seulement 3 %.

En résumé :
Les physiciens du LHCb sont comme des horlogers de l'univers. Ils vérifient si les engrenages (les particules) tournent exactement comme prévu par les plans (le Modèle Standard). Jusqu'à présent, les engrenages tournent bien, mais ils continuent de vérifier chaque rouage avec une loupe de plus en plus puissante, au cas où l'un d'eux révélerait un secret caché de l'univers.

Résumé technique

1. Contexte et Problématique

Les désintégrations semi-leptoniques des hadrons $b$ sont des sondes puissantes pour tester le Modèle Standard (MS) et rechercher une physique au-delà (BSM). Deux tensions majeures persistent dans la physique des saveurs :

• Violation de l'Universalité du Saveur Leptonique (LFU) : Les rapports de branchement $R(H_c) = \mathcal{B}(H_b \to H_c \tau \nu) / \mathcal{B}(H_b \to H_c \mu \nu)$ montrent une tension de $3,8\,\sigma$ par rapport aux prédictions du MS.
• Détermination des éléments de la matrice CKM : Il existe une divergence de $2\text{--}3\,\sigma$ entre les déterminations inclusives et exclusives des éléments $V_{ub}$ et $V_{cb}$. De plus, l'unitarité de la première rangée de la matrice CKM ($|V_{ud}|^2 + |V_{us}|^2 + |V_{ub}|^2 = 1$) présente une déviation de $2\,\sigma$, motivant des mesures de précision de $V_{us}$.

Le principal défi expérimental au LHCb est l'incapacité de détecter les neutrinos, ce qui rend la reconstruction cinématique complète difficile, et la présence de bruits de fond importants dans un environnement de collisions $pp$.

2. Méthodologie

L'article présente deux mesures récentes basées sur des données LHCb :

A. Mesure du rapport de branchement de $\Lambda_b^0 \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$

• Données : Échantillon enregistré entre 2016 et 2018 ($5,4 \text{ fb}^{-1}$).
• Méthode : Mesure relative par rapport au canal de normalisation $\Lambda_b^0 \to p \pi^-$ (dont le rapport de branchement est connu avec précision).
• Sélection et Reconstruction :
  • Utilisation de l'impulsion transverse manquante du neutrino, déduite des impulsions du proton et du muon.
  • Application d'une contrainte cinématique stricte : $p_T(\nu_\mu) < \frac{m_{\Lambda_b}^2 - m_{p\mu}^2}{2m_{\Lambda_b}}$, qui élimine efficacement le bruit de fond combinatoire.
  • Sélection dans le plan Armenteros-Podolanski pour isoler le signal.
• Analyse : Ajustement par vraisemblance maximale binné en 2D sur les distributions de $m_{corr}(p\pi)$ et $m(p\pi)$ pour extraire les rendements du signal et de la normalisation.

B. Analyse angulaire de $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$

• Données : Collisions $pp$ à 7 et 8 TeV (2011-2012, $3,0 \text{ fb}^{-1}$).
• Méthode : Ajustement par vraisemblance binné en 5 dimensions sur les angles de désintégration, le carré du transfert d'impulsion ($q^2$) et le carré de la masse manquante ($m_{miss}^2$).
• Reconstruction : La momentum du $B^0$ est reconstruit avec une ambiguïté quadratique (résolution de 8-12 % sur les angles et $q^2$).
• Paramétrisations : Trois formalismes de facteurs de forme hadroniques sont utilisés pour modéliser le signal :
  1. CLN (Caprini-Lellouch-Neubert) : Paramétrisation restrictive.
  2. BGL (Boyd-Grinstein-Lebed) : Développements en série de puissances, plus flexibles.
  3. BLPR (Bernlochner-Ligeti-Papucci-Robinson) : Alternative moderne.
• Séparation Signal/Bruit : Utilisation de $m_{miss}^2$ et de modèles de bruit de fond (notamment $B \to D^{**} \mu \nu$) issus de simulations et de contrôles de données. Le critère d'information bayésien (BIC) est utilisé pour optimiser l'ordre de la série BGL.

3. Résultats Clés

A. $\Lambda_b^0 \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$

• Rapport de branchement mesuré :
  $$\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu) = (1,46 \pm 0,10) \times 10^{-4}$$
  Cette mesure représente une amélioration d'un facteur 2 en précision par rapport au résultat précédent (BESIII).
• Extraction de $V_{us}$ : En utilisant les prédictions de la QCD sur réseau, les valeurs obtenues sont $|V_{us}| = 0,235 \pm 0,016$ (conservateur) et $0,2459 \pm 0,0085$ (alternative).
• Test de LFU : Le rapport des taux de désintégration muon/électron est déterminé comme $R_{\mu e} = 0,175 \pm 0,012$. Ce résultat est compatible avec les prédictions théoriques (QCD sur réseau et NLO) à des niveaux de signification statistique allant de $0,1\,\sigma$ à $1,5\,\sigma$.

B. $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$ (Facteurs de forme)

• C'est la première mesure des paramètres de facteurs de forme hadroniques pour ce canal au LHCb.
• Paramètres mesurés : Les coefficients des paramétrisations CLN ($R_1, R_2, \rho^2$), BGL ($a_0, a_1, b_1, c_1, c_2$) et BLPR ($\bar{\rho}^2_*, \chi_2, \dots$) sont extraits avec leurs matrices de corrélation.
• Compatibilité :
  • Les paramètres mesurés satisfont les contraintes d'unitarité.
  • Les résultats BGL sont compatibles avec les calculs de QCD sur réseau (HPQCD, Fermilab-MILC, JLQCD), bien qu'une meilleure concordance soit observée avec Fermilab-MILC et JLQCD pour le facteur de forme $F_1(q^2)$.
  • L'asymétrie avant-arrière du muon ($A_{FB}$) calculée à partir de ces paramètres montre un excellent accord avec les mesures de Belle et les prédictions BLPR.
• Tensions : Une tension est observée entre les résultats CLN et BLPR pour le facteur de forme $f(q^2)$, ce qui est attendu étant donné les hypothèses restrictives du modèle CLN.

4. Contributions et Signification

• Précision inégalée : Cette contribution fournit la meilleure mesure mondiale du rapport de branchement de $\Lambda_b^0 \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$.
• Contrainte théorique : En mesurant directement les facteurs de forme hadroniques à partir des données LHCb, cette étude réduit l'incertitude systématique liée à la modélisation théorique, un problème majeur dans les mesures exclusives.
• Test du Modèle Standard : Les résultats sont globalement compatibles avec le MS et les calculs de QCD sur réseau, ne montrant pas de déviation significative nécessitant une nouvelle physique pour ces canaux spécifiques, bien que les tensions globales sur $R(D^{(*)})$ et $V_{cb}$ restent ouvertes.
• Perspectives : Avec les futures mises à niveau du LHCb (luminosité instantanée accrue), la précision statistique devrait atteindre environ 3 % sur les rapports de branchement, permettant de trancher définitivement sur les anomalies actuelles en physique des saveurs.

En résumé, ce travail démontre la capacité du LHCb à réaliser des mesures de haute précision sur les désintégrations semi-leptoniques, fournissant des données cruciales pour contraindre les paramètres du Modèle Standard et guider la recherche de nouvelle physique.