$b\to s\ell^+\ell^- (\ell = e, \mu, \tau)$ and $b\to s\nu\bar\nu$ at Belle and Belle II

Ce document présente l'utilisation des données combinées de 1,2 $\text{ab}^{-1}$ des expériences Belle et Belle II pour étudier les désintégrations de quarks $b$ impliquant des neutrinos ou des leptons, notamment via des mesures inclusives et des recherches de canaux à énergie manquante.

L'essentiel

Le Mystère des Particules Fantômes : Une Enquête au Cœur de la Matière

Imaginez que vous êtes un détective privé. Votre mission est de comprendre comment fonctionne une machine extrêmement complexe (l'Univers), mais il y a un problème : certains des acteurs les plus importants de cette machine sont des "fantômes". Ils sont là, ils agissent, mais ils sont invisibles.

C'est exactement le défi que relèvent les scientifiques des expériences Belle et Belle II au Japon. Ils étudient des particules appelées "quarks" (plus précisément le passage d'un quark bottom à un quark strange), et ils cherchent des indices laissés par des particules invisibles : les neutrinos.

1. L'analogie du Billard Cosmique

Pour comprendre leur méthode, imaginez une partie de billard géante.
Dans un accélérateur de particules, on fait s'entrechoquer des électrons et des positrons à une vitesse phénoménale. Cela crée des particules appelées Mésons B.

Le problème, c'est que ces Mésons B sont instables : ils se brisent instantanément en d'autres particules. Parfois, lors de cette "explosion", elles produisent des neutrinos. Le souci ? Les neutrinos sont comme des balles de billard qui traverseraient la table, le tapis et même les murs sans jamais rien toucher. On ne peut pas les voir directement.

Comment font les chercheurs ?
Ils utilisent une technique de "comptabilité rigoureuse". Ils reconstruisent tout ce qu'ils voient (les billes qui roulent sur la table). S'ils savent exactement avec quelle force la bille principale a été frappée au départ, et qu'après l'impact il manque une partie de l'énergie, ils peuvent dire : "Tiens, l'énergie manquante correspond exactement à la signature d'un fantôme (un neutrino) !"

2. Les deux méthodes de détective (Le "Tagging")

Pour être sûrs de ne pas se tromper, ils utilisent deux stratégies :

• La méthode "Grand Angle" (Inclusive) : C'est comme regarder une foule et essayer de deviner qui est parti en courant en observant simplement le chaos général. C'est rapide, mais un peu flou.
• La méthode "Loupe de Précision" (Exclusive) : C'est comme si, pour chaque crime, on reconstruisait l'identité complète de tous les témoins présents. C'est extrêmement précis, mais cela prend un temps fou et c'est très difficile à faire.

3. Ce que l'étude nous dit (Les résultats)

Le papier explore deux pistes principales pour trouver de la "Nouvelle Physique" (des lois de la nature que nous ne connaissons pas encore) :

• La piste des "Particules Lourdes" (Les Tau) : Ils cherchent des transitions impliquant des leptons "Tau" (des cousins plus lourds et plus rares des électrons). C'est comme chercher une empreinte de pas très spécifique dans la boue. Pour l'instant, ils n'ont pas trouvé de preuve de quelque chose de nouveau, mais ils ont réussi à fixer des "limites" : ils disent désormais avec certitude : "Si ces particules mystérieuses existent, elles ne peuvent pas être plus grosses que ceci." Cela aide à réduire le champ de recherche pour les futurs scientifiques.

• La piste des "Neutrinos" : Ils ont analysé des processus où les neutrinos sont les seuls acteurs invisibles. Ils ont trouvé des indices suggérant que les forces qui régissent ces transitions pourraient être un peu plus fortes que ce que prévoit la théorie actuelle (le Modèle Standard). C'est comme si, en calculant la trajectoire d'une bille, on se rendait compte qu'elle semble poussée par un vent invisible.

En résumé

Ce papier n'annonce pas une révolution immédiate (pas de découverte de "l'énergie noire" ou de "matière noire" ce matin), mais c'est une cartographie de précision.

Les chercheurs de Belle II sont en train de nettoyer la carte du monde de la physique. Ils disent : "Voici où les monstres ne peuvent pas être, et voici les zones où l'on commence à sentir un courant d'air inhabituel." Ils préparent le terrain pour la prochaine grande découverte qui changera notre compréhension de l'Univers.

Résumé technique

Résumé Technique : Étude des transitions $b \to s\ell^+\ell^-$ et $b \to s\nu\bar{\nu}$ aux expériences Belle et Belle II

1. Problématique et Contexte

L'étude des transitions de quarks $b \to s$ est cruciale pour la physique des particules car elles sont médiées par des courants neutres à changement de saveur (FCNC). Dans le Modèle Standard (SM), ces processus ne peuvent se produire que via des diagrammes de boucles (effets de "penguin" électrofaibles), ce qui entraîne des taux de branchement très faibles ($O(10^{-7})$ à $O(10^{-5})$).

En raison de cette rareté, ces canaux sont des sondes extrêmement sensibles à la Nouvelle Physique (NP). Des processus comme l'interaction via des leptoquarks ou des Higgs chargés pourraient modifier les taux observés ou introduire de nouvelles structures de couplage. L'enjeu principal réside dans la détection de signaux impliquant de l'énergie manquante (neutrinos), ce qui est techniquement difficile en raison de la difficulté à reconstruire des particules non détectées.

2. Méthodologie Expérimentale

L'étude s'appuie sur un échantillon combiné de 1,2 ab⁻¹ de collisions $e^+e^- \to B\bar{B}$ au niveau de la résonance $\Upsilon(4S)$, provenant des collaborations Belle et Belle II. L'avantage majeur de ces expériences est l'environnement de collision propre et la cinématique initiale bien contrainte.

Pour traiter les canaux avec énergie manquante, deux méthodes de marquage (tagging) du méson $B$ accompagnateur ($B_{tag}$) sont utilisées :

• Marquage inclusif : Utilise l'apprentissage automatique pour identifier les caractéristiques du $B_{tag}$ sans reconstruction complète. Offre une grande efficacité mais un bruit de fond élevé.
• Marquage exclusif (Hadronique et Semileptonique) : Utilise l'algorithme FEI (Full Event Interpretation).
  • Le tagging hadronique reconstruit entièrement le $B_{tag}$, offrant une grande pureté et des contraintes cinématiques strictes ($\vec{p}_{B_{sig}} = -\vec{p}_{B_{tag}}$), bien que son efficacité soit faible (< 1 %).
  • Le tagging semileptonique offre une meilleure efficacité grâce aux taux de branchement plus élevés, mais avec une pureté moindre à cause du neutrino non détecté dans le $B_{tag}$.

3. Contributions Clés et Résultats

A. Transitions impliquant des paires de taus ($b \to s\tau^+\tau^-$)

L'étude se concentre sur les leptons de troisième génération, particulièrement sensibles à la NP.

• $B^0 \to K^{*0}\tau^+\tau^-$ : En utilisant le marquage hadronique à Belle II, une limite supérieure de $\mathcal{B} < 1,8 \times 10^{-3}$ (à 90% CL) est établie, améliorant la contrainte de Belle par un facteur deux.
• $B^0 \to K^0_S\tau^+\tau^-$ : Première recherche de ce canal. Une limite de $\mathcal{B} < 8,4 \times 10^{-4}$ (à 90% CL) est obtenue en combinant les données de Belle et Belle II.
• $B^+ \to K^+\tau^+\tau^-$ : Utilisation d'une stratégie basée sur des coupures (cut-based) sur l'énergie résiduelle du calorimètre ($E_{extra}$). La limite de $\mathcal{B} < 5,6 \times 10^{-4}$ constitue la contrainte la plus stricte à ce jour.

B. Transitions impliquant des neutrinos ($b \to s\nu\bar{\nu}$)

• Réinterprétation de $B^+ \to K^+\nu\bar{\nu}$ : L'étude utilise le cadre de la Théorie Effective Faible (WET) pour extraire les coefficients de Wilson ($C_V, C_S, C_T$). Les résultats suggèrent qu'une contribution vectorielle accrue, combinée à une contribution tensorielle non nulle, décrit mieux les données que le Modèle Standard.
• Première recherche inclusive de $B \to X_s\nu\bar{\nu}$ : En utilisant la méthode de la "somme des modes exclusifs", une limite supérieure inclusive de $\mathcal{B} < 3,2 \times 10^{-4}$ est établie pour la première fois, offrant une sonde complémentaire aux modes exclusifs.

4. Signification et Conclusion

Ce travail démontre la capacité de Belle II à atteindre une précision compétitive, voire mondiale, sur des canaux extrêmement complexes impliquant de l'énergie manquante.

L'importance de ces résultats est triple :

1. Établissement de limites : Ils restreignent fortement les modèles de Nouvelle Physique (comme les leptoquarks).
2. Avancée méthodologique : La première recherche inclusive de $B \to X_s\nu\bar{\nu}$ et la première recherche de $B^0 \to K^0_S\tau^+\tau^-$ ouvrent de nouvelles voies d'analyse.
3. Ouverture scientifique : La publication de la fonction de vraisemblance (likelihood) pour la réinterprétation de $B^+ \to K^+\nu\bar{\nu}$ permet à la communauté scientifique de tester rigoureusement de nouveaux modèles théoriques, faisant de Belle II un pilier de la recherche sur la physique au-delà du Modèle Standard.