Measurements of electroweak penguins and $B$ decays to final states with missing energy at Belle and Belle II

Cet article présente les résultats des expériences Belle et Belle II sur la recherche de désintégrations rares de mésons B impliquant des penguins électrofaibles et des états finals avec énergie manquante, basés sur un échantillon de 1,3 ab⁻¹ de collisions $e^+e^-\to B\bar B$.

L'essentiel

Imaginez que le Laboratoire Belle II au Japon est une immense usine à particules. C'est un endroit où l'on fait entrer en collision des électrons et des positrons (des anti-électrons) à des vitesses folles. Le but ? Créer une "usine à B" : des particules appelées B-mésons.

Ces B-mésons sont comme des châteaux de cartes instables. Ils naissent, vivent un instant très court, puis s'effondrent (se désintègrent) en une pluie de particules plus petites. Les physiciens sont là pour observer comment ces châteaux s'effondrent, car parfois, ils tombent d'une manière que les règles habituelles de la physique (le Modèle Standard) ne prédisent pas.

Voici les quatre grandes aventures racontées dans ce rapport :

1. La chasse aux fantômes invisibles (Les penguins électrofaibles)

Le concept : Certains B-mésons devraient se désintégrer en produisant des particules que l'on ne voit pas directement, comme des neutrinos (des "fantômes" qui traversent tout sans rien toucher) ou des paires de particules lourdes.

L'analogie : Imaginez que vous êtes un détective dans une pièce fermée. Vous savez qu'un voleur (le B-méson) est entré avec un sac plein d'or (l'énergie). Soudain, le voleur disparaît, mais vous voyez un petit morceau d'or (une particule visible) qui tombe au sol.

• Le problème : Si le sac était vide, vous ne verriez rien. Mais si le sac contenait des fantômes (des neutrinos), vous verriez le morceau d'or, mais vous saurez qu'il manque de l'argent.
• La méthode : Les physiciens utilisent une technique appelée "B-tagging". C'est comme avoir un double de la scène du crime. Ils reconstruisent le premier B-méson (le témoin) pour savoir exactement ce qu'il y avait dans le sac au départ. Ensuite, ils regardent le deuxième B-méson (le suspect). S'il manque de l'énergie, c'est que des "fantômes" se sont échappés.

Le résultat : Ils ont regardé des millions de ces désintégrations. Pour l'instant, tout semble suivre les règles habituelles (le Modèle Standard), mais ils cherchent encore la moindre anomalie qui pourrait révéler une "Nouvelle Physique".

2. Le mystère du Tau (La particule lourde)

Le concept : Il existe trois familles de particules semblables : l'électron, le muon et le tau. Le tau est comme un cousin très lourd et très instable. Les théories "Nouvelles Physiques" disent que le tau pourrait être traité différemment des autres.

L'analogie : Imaginez un jeu de bowling où vous lancez trois boules différentes : une légère (électron), une moyenne (muon) et une énorme en plomb (tau). Selon les règles classiques, la boule en plomb devrait tomber très rarement dans le trou. Mais certains disent : "Attendez, la boule en plomb est peut-être magnétique et va être attirée par des aimants cachés !"

Le résultat : Belle II a cherché ces désintégrations rares vers des taus. Ils n'ont pas trouvé de boule en plomb qui tombe dans le trou plus souvent que prévu. Ils ont donc posé une limite stricte : "Si cela arrive, c'est extrêmement rare". C'est une nouvelle record mondial de précision pour dire "non" à certaines théories.

3. Le piège des neutrinos (B → Xs νν)

Le concept : Ici, on cherche spécifiquement les désintégrations où tout l'énergie est emportée par des neutrinos. C'est le cas ultime de "l'objet qui disparaît".

L'analogie : C'est comme chercher un voleur qui a volé tout l'argent d'une banque et qui a disparu sans laisser de trace, sauf que vous savez exactement combien d'argent il y avait avant.
Les physiciens ont utilisé un "filtre intelligent" (un algorithme appelé BDT, un peu comme un détecteur de mensonge très avancé) pour trier des millions de collisions et isoler les rares cas où l'énergie manquante correspond exactement à celle de deux neutrinos.

Le résultat : Ils n'ont pas vu de voleur. Ils ont établi la meilleure limite mondiale : "Si un tel voleur existe, il ne peut pas voler plus de X% de l'argent". C'est une preuve de plus que nos modèles actuels tiennent bon, pour l'instant.

4. Le cas spécial : B+ → K+ νν (L'anomalie qui intrigue)

Le concept : Il y a eu une découverte récente (par Belle II) qui a fait beaucoup de bruit : une désintégration spécifique semble se produire 4 fois plus souvent que ce que la théorie prédit. C'est comme si le voleur prenait 4 fois plus d'argent que prévu.

L'analogie : Imaginez que vous avez un modèle de prévision météo qui dit "il pleuvra 1 mm". Mais votre thermomètre indique "il pleut 4 mm". Est-ce que votre thermomètre est cassé ? Ou est-ce que la pluie est en fait un déluge invisible ?
Pour aider les théoriciens à comprendre, les physiciens de Belle II ont créé un nouvel outil mathématique. Au lieu de dire "Voici le résultat, admettez-le", ils disent : "Voici une carte flexible. Vous pouvez y appliquer n'importe quelle théorie (n'importe quel type de pluie) et voir si elle correspond à nos données."

Le résultat : Ils ont montré que si l'on accepte certaines modifications de la physique (des "opérateurs" spéciaux), on peut expliquer cette anomalie. Cela ouvre la porte à de nouvelles théories, mais il faut encore confirmer que ce n'est pas une erreur de mesure.

En résumé

Ce rapport est le journal de bord d'une équipe de détectives cosmiques. Ils ont examiné des milliards de collisions pour voir si les règles de l'univers sont bien celles que l'on croit.

• Ce qu'ils ont trouvé : Pour l'instant, l'univers semble très bien suivre les règles classiques.
• Ce qu'ils cherchent : Une petite faille, une exception, une particule qui se comporte bizarrement. C'est dans ces petites anomalies que l'on découvrira peut-être la "Nouvelle Physique", celle qui expliquera ce qui se cache derrière le voile de notre réalité actuelle.

Même s'ils n'ont pas encore trouvé de "monstre" (Nouvelle Physique), leur travail consiste à nettoyer le terrain avec une précision incroyable, pour que, si un jour un monstre passe, nous soyons les premiers à le voir.

Résumé technique

Titre : Mesures des penguins électrofaibles et des désintégrations B vers des états finaux avec énergie manquante à Belle et Belle II

Auteur : Valerio Bertacchi (au nom de la collaboration Belle II)
Contexte : Données combinées Belle et Belle II (échantillon total de $1,3 \text{ ab}^{-1}$ de collisions $e^+e^- \to B\bar{B}$ à l'énergie de résonance $\Upsilon(4S)$).

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1. Problématique et Contexte Physique

Le Modèle Standard (MS) interdit les courants neutres à changement de saveur (FCNC) au niveau arbre, les rendant fortement supprimés et sensibles aux effets de boucles. Ces processus constituent donc des sondes idéales pour tester le MS et rechercher une Nouvelle Physique (NP).

• Tensions actuelles : Des écarts ($2-4\sigma$) ont été observés par LHCb dans les spectres différentiels exclusifs $B \to K^{(*)}\ell^+\ell^-$, mais les spectres inclusifs mesurés par Belle et BaBar étaient compatibles avec le MS. Il est crucial de clarifier cette tension.
• Rôle du Tau et des neutrinos : Les transitions $b \to s \tau^+\tau^-$ et $b \to s \nu\bar{\nu}$ sont extrêmement supprimées dans le MS ($\mathcal{B} \sim 10^{-7}$ et $3,48 \times 10^{-5}$ respectivement) mais peuvent être considérablement amplifiées par des modèles de NP (notamment ceux expliquant les tensions d'universalité du saveur leptonique ou l'excès observé dans $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$).
• Environnement expérimental : L'expérience Belle II, avec son environnement propre et la connaissance précise de l'état initial ($\Upsilon(4S)$), permet d'utiliser l'approche de "tagging" (étiquetage) pour reconstruire les désintégrations avec énergie manquante (neutrinos).

2. Méthodologie Expérimentale

L'analyse repose sur l'utilisation de l'échantillon combiné de données de Belle et Belle II. La stratégie principale est le tagging hadronique :

1. Reconstruction du $B_{tag}$ : L'un des deux mésons B est reconstruit dans des canaux hadroniques ou semi-leptoniques bien connus.
2. Inférence du $B_{sig}$ : Grâce à la conservation de l'énergie-impulsion et à la connaissance de l'état initial, les propriétés cinématiques et la charge du second méson B (le signal) sont déduites, permettant de récupérer l'information manquante due aux neutrinos.

Les analyses spécifiques utilisent :

• Sélection de modes : Pour les analyses inclusives, une somme de modes exclusifs est utilisée pour couvrir une fraction significative de la section efficace (ex: 71% pour $B \to X_s \ell^+\ell^-$).
• Outils statistiques : Utilisation de classificateurs multivariés (Feature Tokenizer Transformer, Boosted Decision Trees - BDT) pour supprimer les bruits de fond (désintégrations semi-leptoniques, $D$ mésons, charmonium).
• Extraction du signal : Ajustements paramétriques sur les distributions de masse effective ($M_{bc}$) ou ajustements de vraisemblance maximale binnés sur les sorties des BDT et les masses invariantes.
• Réinterprétation : Développement d'une méthode de vraisemblance "agnostique par rapport au modèle" pour réinterpréter les résultats dans le cadre de la Théorie Effective Faible (WET).

3. Contributions Clés et Résultats

A. Transitions $b \to s \ell^+\ell^-$ (Inclusif)

• Méthode : Reconstruction de $B \to X_s \ell^+\ell^-$ ($\ell = e, \mu$) en sommant 20 modes exclusifs.
• Améliorations : Modélisation du signal améliorée (mise à jour des fractions de branchement, description des résonances > 1,1 GeV, calibration sur $B \to X_s \gamma$ et $J/\psi$). Cela réduit les incertitudes systématiques de modélisation par un facteur 2 à 3 par rapport aux mesures précédentes.
• Résultats :
  • Accord global avec le MS pour le spectre différentiel $d\mathcal{B}/dq^2$.
  • Mesure du taux de branchement inclusif dans la région $1 < q^2 < 6 \text{ GeV}^2$ : $\mathcal{B}_{1-6} = (1,36 \pm 0,23 \pm 0,13) \times 10^{-6}$.
  • Mesure du rapport d'isospin/lepton : $R_{X_s} = \mathcal{B}(B \to X_s \mu^+\mu^-)/\mathcal{B}(B \to X_s e^+e^-) = 0,74 \pm 0,19 \pm 0,04$ (compatible avec le MS).
  • Statut : Résultats préliminaires.

B. Transitions $b \to s \tau^+\tau^-$

• Canaux : Recherche de $B \to K^+ \tau^+\tau^-$ et $B \to K_S^0 \tau^+\tau^-$.
• Méthode : Utilisation des désintégrations leptoniques du tau (pour $K^+$) et des canaux à un prong (pour $K_S^0$). Réduction du bruit de fond via des coupes séquentielles et des BDT sans utilisation de classificateurs complexes pour le canal $K^+$.
• Résultats (Limites Supérieures à 90% CL) :
  • $B \to K^+ \tau^+\tau^-$ : $\mathcal{B} < 0,56 \times 10^{-3}$. C'est la meilleure limite mondiale, améliorant d'un facteur 4 la limite précédente.
  • $B \to K_S^0 \tau^+\tau^-$ : $\mathcal{B} < 0,84 \times 10^{-3}$. Il s'agit de la première recherche pour ce canal spécifique.
  • Statut : Résultats préliminaires.

C. Recherche de $B \to X_s \nu\bar{\nu}$ (Inclusif)

• Contexte : Suite à l'excès observé dans le canal exclusif $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$.
• Méthode : Somme de 30 modes exclusifs, sélection par BDT, ajustement sur la distribution bidimensionnelle (Score BDT, $M(X_s)$).
• Résultats : Aucun signal significatif n'est observé.
  • Limites par tranches de masse $M(X_s)$ établies.
  • Limite globale mondiale la plus stricte : $\mathcal{B}(B \to X_s \nu\bar{\nu}) < 3,2 \times 10^{-4}$.
  • La limite à basse masse est compatible avec la mesure exclusive de $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$.

D. Réinterprétation de $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$

• Innovation : Développement d'une méthode de réinterprétation agnostique permettant de repondérer la densité de nombre d'événements pour n'importe quel modèle de NP.
• Application : Cadre de la Théorie Effective Faible (WET) avec opérateurs de dimension 6 (coefficients de Wilson scalaires, vectoriels, tensoriels).
• Résultats :
  • Significativité de $3,3\sigma$ par rapport à l'hypothèse de bruit de fond uniquement.
  • Les données préfèrent une contribution tensorielle non nulle et une contribution vectorielle plus grande que celle attendue dans le MS.
  • Fourniture de la vraisemblance complète et des distributions conjointes pour faciliter les études futures.

4. Signification et Impact

Ces résultats constituent une avancée majeure dans la compréhension des désintégrations rares des mésons B :

1. Résolution des tensions : La mesure inclusive de $b \to s \ell^+\ell^-$ confirme le MS, suggérant que les écarts observés par LHCb pourraient être spécifiques aux canaux exclusifs ou liés à des effets hadroniques non maîtrisés.
2. Limites mondiales : L'établissement des meilleures limites mondiales pour les canaux $B \to K \tau^+\tau^-$ et $B \to X_s \nu\bar{\nu}$ contraint sévèrement les modèles de Nouvelle Physique qui tentent d'expliquer les anomalies de saveur.
3. Outils pour la communauté : La méthode de réinterprétation agnostique développée pour $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$ offre un outil puissant pour la communauté théorique afin de tester rapidement de nouveaux modèles contre les données expérimentales sans avoir à refaire l'analyse complète.
4. Préparation pour le futur : Ces analyses préliminaires démontrent la maturité des techniques de reconstruction et d'analyse de Belle II, qui, avec l'accumulation future de données (Run 2 et au-delà), permettront de passer des limites supérieures à des mesures de précision ou à la découverte de signaux de NP.