Flavour changing charged current decays at LHCb

Cet article présente trois résultats récents de LHCb sur les désintégrations à courant chargé changeant de saveur : la première mesure du rapport de fraction de branchement $\mathcal{R}(D^{**})$ utilisant $B^{-} \to D^{**0} \tau^{-} \bar{\nu}_{\tau}$, la détermination de la fraction de branchement pour $\Lambda \to p \mu^{-} \bar{\nu}_{\mu}$, et l'extraction des paramètres de facteurs de forme à partir des désintégrations $B^0 \to D^{*-} \mu^{+} \nu_{\mu}$.

L'essentiel

Imaginez que l'univers est bâti sur un ensemble de règles strictes, comme un grand livre de recettes cosmique appelé le Modèle Standard. L'une des règles les plus importantes de ce livre est l'Universalité de la saveur des leptons. Considérez cette règle comme un videur strict dans une boîte de nuit qui traite chaque invité exactement de la même manière, indépendamment de son nom. En physique, les « invités » sont des particules appelées leptons (plus précisément les électrons, les muons et les particules tau). La règle stipule : « Si vous êtes un muon ou un tau, vous interagissez avec les particules porteuses de force (les « bosons de jauge ») exactement de la même manière qu'un électron, sauf pour le fait que vous pourriez être plus lourd. »

Si le videur commence à traiter un invité lourd différemment d'un invité léger, c'est un indice majeur qu'il existe un livre de règles secret et caché (Nouvelle Physique) que nous n'avons pas encore découvert.

L'expérience LHCb au CERN est comme une équipe de caméras haute vitesse tentant de surprendre ces particules en train d'enfreindre les règles. Elles se concentrent sur des particules lourdes contenant un quark « bottom » (les hadrons b) alors qu'elles se désintègrent, ou se brisent. Voici une décomposition des trois histoires principales que cet article raconte, en utilisant des analogies simples :

1. La vérification des « Gros Calibres » : $R(D^{**})$

Le Scénario :
Habituellement, lorsque les scientifiques mesurent à quelle fréquence une particule bottom se transforme en une particule tau par rapport à un muon (pour vérifier si le videur est équitable), ils observent des résultats spécifiques et bien connus. Cependant, parfois la particule bottom se désintègre en un état intermédiaire « désordonné » impliquant des versions excitées d'autres particules (appelées résonances $D^{**}$). Ce sont comme le « bruit de fond » ou la « foule » qui gênent habituellement la mesure principale.

La Découverte :
Au lieu d'ignorer ce bruit, l'équipe LHCb a décidé de le mesurer directement pour la première fois. Ils ont examiné une désintégration spécifique où une particule bottom se transforme en une particule excitée ($D^{**}$) et un tau.

• L'Analogie : Imaginez essayer de compter combien de personnes entrent dans une salle VIP, mais qu'il y a un couloir latéral où les gens s'habillent aussi. Habituellement, vous ignorez le couloir latéral. Ici, l'équipe est entrée dans le couloir latéral, a compté les gens et a trouvé 123 événements spécifiques.
• Le Résultat : Ils ont découvert que cette désintégration « couloir latéral » se produit environ 13 % aussi souvent que la version muon de la même désintégration. Cela correspond parfaitement à la prédiction du Modèle Standard. C'est comme confirmer que même dans le couloir latéral encombré et désordonné, le videur traite toujours tout le monde équitablement.

2. Le test « Lambda » : $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$

Le Scénario :
L'équipe a également examiné un autre type de particule appelé un baryon « Lambda » (un cousin lourd du proton). Ils voulaient voir à quelle fréquence cette particule se désintègre en un proton et un muon par rapport à la fréquence à laquelle elle se désintègre en un proton et un électron.

• L'Analogie : Considérez la particule Lambda comme une machine d'usine capable de produire deux types de produits : des « Muons » ou des « Électrons ». Le Modèle Standard prédit que la machine devrait produire des Muons environ 15 % aussi souvent que des Électrons.
• La Découverte : En utilisant des données de 2016 à 2018, l'équipe a compté les produits sortant de la chaîne de montage. Ils ont découvert que la machine produit des Muons à un taux d'environ 17,5 % par rapport aux Électrons.
• Le Résultat : Il s'agit d'une mesure très précise (deux fois plus précise que l'ancien meilleur record). Le résultat est compatible avec le Modèle Standard, ce qui signifie que la machine d'usine fonctionne exactement comme le livre de recettes le prédit. Cela aide également les scientifiques à vérifier l'« unitarité » de la matrice CKM (une vérification mathématique pour s'assurer que les mathématiques du mélange des particules totalisent 100 %).

3. L'analyse du « Cambrioleur de forme » : $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$

Le Scénario :
Dans cette troisième histoire, l'équipe n'a pas seulement compté à quelle fréquence une désintégration se produit ; elle a examiné comment elle se produit. Lorsqu'une particule $B^0$ se désintègre en une particule $D^*$ et un muon, les particules s'envolent à des angles spécifiques.

• L'Analogie : Imaginez lancer une toupie. Vous pouvez décrire le lancer par la vitesse de rotation, la direction de l'inclinaison et l'angle du lancer. En physique, on appelle cela des « angles » et des « facteurs de forme » (qui décrivent la forme et la structure interne des particules).
• La Découverte : L'équipe a utilisé une quantité massive de données (3,0 fb$^{-1}$) pour cartographier ces angles dans cinq dimensions différentes simultanément. Ils ont testé trois « plans » mathématiques différents (appelés BGL, CLN et BLPR) pour voir lequel décrit le mieux la forme de la désintégration.
• Le Résultat : Les trois plans étaient en accord entre eux et avec les simulations informatiques les plus avancées (QCD sur réseau). L'équipe a extrait les « facteurs de forme » avec une précision améliorée. C'est comme créer un modèle 3D de la désintégration plus net et plus clair que tout modèle réalisé auparavant.

La Grande Image

L'article conclut que l'expérience LHCb joue un rôle crucial dans l'effort mondial visant à comprendre la physique des particules. En mesurant ces désintégrations rares et en vérifiant les angles et les taux, ils confirment que le Modèle Standard tient bon.

• Ils ont trouvé la première preuve d'une désintégration spécifique de « couloir latéral » ($D^{**}$).
• Ils ont établi un nouveau record mondial pour la mesure d'une désintégration Lambda spécifique.
• Ils ont créé la carte la plus détaillée à ce jour de la façon dont une particule $B^0$ tourne et se disperse.

Jusqu'à présent, le « videur » traite toujours tout le monde équitablement, et les « machines d'usine » fonctionnent exactement comme le livre de recettes le prédit. Aucune nouvelle physique n'a été trouvée dans ces mesures spécifiques, mais la précision de ces mesures est essentielle pour repérer les minuscules fissures dans le livre de règles qui pourraient apparaître dans les expériences futures.

Résumé technique

1. Énoncé du problème et motivation

Le Modèle Standard (MS) prédit l'universalité de la saveur des leptons (LFU), affirmant que les bosons de jauge électrofaibles se couplent de manière universelle à tous les leptons chargés ($e, \mu, \tau$), les différences provenant uniquement des masses des leptons. Toute déviation par rapport à ce principe signalerait une Nouvelle Physique (NP).

Des mesures récentes effectuées par Belle, BaBar et LHCb ont révélé des tensions avec les prédictions du MS dans :

• Les rapports LFU : $R(D)$ et $R(D^*)$ montrent un écart d'environ $3,8\sigma$ entre les prédictions du MS et les moyennes expérimentales.
• Les éléments de la matrice CKM : Des écarts de $2\text{--}3\sigma$ existent entre les valeurs de $|V_{ub}|$ et $|V_{cb}|$ extraites des désintégrations exclusives par rapport aux désintégrations inclusives des hadrons $b$.

Les désintégrations semi-leptoniques des hadrons $b$ sont idéales pour tester ces anomalies en raison de leurs grandes fractions de branchement et de leurs éléments de matrice hadroniques théoriquement propres (dominés par des diagrammes d'ordre arbre). Cet article présente trois analyses spécifiques traitant des fonds, des désintégrations d'hyperons et des extractions de facteurs de forme pour affiner ces tests.

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2. Méthodologie et contributions clés

L'article détaille trois analyses distinctes réalisées à l'aide des données LHCb collectées entre 2011 et 2018.

A. Mesure du rapport de fraction de branchement $R(D^{**})$

• Contexte : Dans les mesures de $R(D^*)$ utilisant les désintégrations hadroniques du $\tau$, les désintégrations vers des résonances de mésons charmés excités supérieurs ($D^{**}$) constituent un fond significatif ($\sim 3,5\%$).
• Objectif : Réaliser la première mesure du rapport $R(D^{**}_{1,2})$ pour contraindre ce fond et tester la LFU dans le secteur $D^{**}$.
• Méthodologie :
  • Échantillon de données : $9 \text{ fb}^{-1}$ (2011–2018).
  • Canal de signal : $B^- \to D^{**0} \tau^- \bar{\nu}_\tau$, où $D^{**0}$ désigne la somme des états étroits $D_1(2420)^0$ et $D_2(2460)^0$ (collectivement $D^{**0}_{1,2}$), et où le $\tau$ se désintègre hadroniquement.
  • Normalisation : $B^- \to D^{**0}_{1,2} D_s^-$ (rapport de branchement issu d'une analyse d'amplitude LHCb précédente).
  • Technique d'analyse : Un ajustement de modèles binnés en trois dimensions utilisant :
    1. La différence de masse $\Delta m = m(D^{**0}) - m(D^{*+})$.
    2. La masse invariante du système leptonique $q^2$.
    3. La sortie d'une Forêt d'arbres de décision (BDT) entraînée pour rejeter les fonds de $D_s$.
• Contribution clé : Première évidence pour le mode de désintégration $B^- \to D^{**0}_{1,2} \tau^- \bar{\nu}_\tau$.

B. Mesure de la fraction de branchement $\mathcal{B}(\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu)$

• Contexte : Les désintégrations semi-leptoniques d'hyperons (transition $s \to u$) sont sensibles aux contributions scalaires et tensorielles de la NP. Elles permettent également la détermination de $|V_{us}|$ pour tester l'unitarité de la matrice CKM.
• Objectif : Mesurer la fraction de branchement de $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ pour améliorer la précision par rapport aux résultats précédents et calculer le rapport LFU $R_{\mu/e}$.
• Méthodologie :
  • Échantillon de données : $5,4 \text{ fb}^{-1}$ (2016–2018).
  • Normalisation : $\Lambda \to p \pi^-$ (fraction de branchement connue $\approx 0,641$).
  • Technique d'analyse :
    • Extraction du signal via un ajustement de vraisemblance maximale binné dans des intervalles de masse corrigée $m_{\text{corr}}(p\pi)$ et de masse invariante $m(p\pi)$.
    • L'ajustement utilise un schéma de binning en plan 2D pour séparer le signal du fond.
• Contribution clé : Une mesure de précision mondiale de la fraction de branchement de $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$, améliorant la précision d'un facteur deux par rapport à BESIII.

C. Extraction des paramètres de facteurs de forme dans $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$

• Contexte : Le taux de désintégration différentiel de $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$ dépend des angles de désintégration ($\theta_D, \theta_\ell, \chi$) et de $q^2$, ce qui le rend sensible à la NP.
• Objectif : Extraire les paramètres de facteurs de forme hadroniques à l'aide d'une analyse angulaire multidimensionnelle.
• Méthodologie :
  • Échantillon de données : $3,0 \text{ fb}^{-1}$ (2011–2012).
  • Technique d'analyse : Un ajustement binné en cinq dimensions à :
    1. Trois angles de désintégration ($\theta_D, \theta_\ell, \chi$).
    2. Le transfert de quantité de mouvement au carré ($q^2$).
    3. La masse invariante manquante au carré ($m^2_{\text{miss}}$).
  • Modèles : L'analyse suppose trois paramétrisations de facteurs de forme : BGL (Boyd-Grinstein-Lebed), CLN (Caprini-Lellouch-Neubert) et BLPR.
  • Optimisation : Le critère d'information bayésien (BIC) est utilisé pour optimiser l'ordre de troncature de la série de coefficients BGL.
• Contribution clé : La première analyse angulaire LHCb de ce mode, fournissant des paramètres de facteurs de forme avec une précision améliorée et vérifiant les contraintes d'unitarité.

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3. Résultats

1. Mesure de $R(D^{**}_{1,2})$ :

   • Nombre d'événements de signal : $123 \pm 23$.
   • Significativité : $3,5\sigma$ (Première évidence pour cette désintégration).
   • Fraction de branchement visible : $\mathcal{B}(B^- \to D^{**0}_{1,2} \tau^- \bar{\nu}_\tau) \times \mathcal{B}(D^{**0}_{1,2} \to D^{*+}\pi^-) = (5,1 \pm 1,7) \times 10^{-4}$.
   • Rapport LFU : $R(D^{**}_{1,2}) = 0,13 \pm 0,04$.
   • Conclusion : Compatible avec la prédiction du MS de $0,09 \pm 0,02$.

2. Fraction de branchement de $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ :

   • Valeur mesurée : $\mathcal{B}(\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu) = (1,46 \pm 0,10) \times 10^{-4}$ (Incertitude totale de 6,9 %).
   • Rapport LFU ($R_{\mu/e}$) : Calculé en utilisant la valeur du mode électronique issue de la littérature : $R_{\mu/e} = 0,175 \pm 0,012$.
   • Conclusion : Compatible avec la prédiction du MS de $0,153 \pm 0,008$.

3. Paramètres de facteurs de forme ($B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$) :

   • Les valeurs des facteurs de forme mesurées sont cohérentes entre les modèles BGL, CLN et BLPR.
   • Les résultats sont en accord avec les calculs récents de QCD sur réseau.
   • Les paramètres BGL satisfont les contraintes d'unitarité, et l'analyse atteint une précision améliorée par rapport aux mesures précédentes.

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4. Signification

• Contrôle des fonds : La première mesure de $R(D^{**})$ fournit des contraintes cruciales sur les fonds pour les mesures de $R(D^*)$, aidant à clarifier l'origine des anomalies LFU existantes.
• Physique de précision des hyperons : Le résultat pour $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ représente la détermination la plus précise à ce jour, offrant une nouvelle sonde indépendante pour $|V_{us}|$ et la NP dans le secteur $s \to u$.
• Validation théorique : L'analyse angulaire de $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$ valide la cohérence des différentes paramétrisations de facteurs de forme et des entrées de la QCD sur réseau, renforçant le cadre théorique utilisé pour interpréter les transitions $b \to c$.
• Impact global : Ces résultats confirment le rôle central de LHCb dans le programme de physique des saveurs, fournissant des données complémentaires aux usines à B (Belle/BaBar) et resserrant les contraintes sur les scénarios potentiels de Nouvelle Physique.