Observation of the charmless purely baryonic decay $\mathinner{\mathit{\Lambda}^0_b\!\to \mathit{\Lambda} p \overline{p}}$

En utilisant des données de collisions proton-proton provenant de l'expérience LHCb, les chercheurs ont observé pour la première fois la désintégration purement baryonique sans charme $\mathinner{\mathit{\Lambda}^0_b\!\to \mathit{\Lambda} p \overline{p}}$ avec une signification de 5,1 écarts-types et ont mesuré son rapport d'embranchement par rapport à $\mathinner{\mathit{\Lambda}^0_b\!\to \mathit{\Lambda} K^+ K^-}$.

L'essentiel

Imaginez le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN comme une piste de course géante pour particules à très haute vitesse. Les scientifiques font entrer en collision des protons à une vitesse proche de celle de la lumière pour créer une explosion chaotique de nouvelles particules, éphémères. La plupart de ces particules ressemblent à des bulles fugaces qui éclatent instantanément, mais certaines sont des créatures rares et exotiques que les scientifiques passent des années à tenter d'apercevoir.

Ce document traite de la collaboration LHCb (une équipe spécifique de scientifiques au CERN) ayant réussi à repérer l'une de ces créatures rares : un type spécifique de désintégration appelé $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$.

Voici l'histoire de leur découverte, expliquée simplement :

1. L'événement rare : une désintégration « purement baryonique »

Dans le monde de la physique des particules, les particules sont souvent regroupées en familles. L'une de ces familles s'appelle les baryons (qui inclut les protons et les neutrons). Habituellement, lorsqu'une particule lourde se désintègre, elle peut se transformer en un mélange de différents types de particules.

Les scientifiques recherchaient une désintégration très spécifique et « pure ». Ils voulaient voir une particule lourde appelée $\Lambda_b^0$ (Lambda-b-zéro) se scinder et se transformer uniquement en d'autres baryons : une particule $\Lambda$ (Lambda) et deux protons ($p$).

• L'analogie : Imaginez une voiture jouet lourde et complexe qui s'écrase. Habituellement, elle explose en roues, verre et plastique. Mais cette équipe cherchait un accident où la voiture se transformerait uniquement en trois autres voitures jouet, sans aucun verre ni plastique restant. C'est ce qu'ils appellent une désintégration « purement baryonique ». C'est une règle très stricte et rare que l'univers doit suivre.

2. Le défi : trouver une aiguille dans une botte de foin

Le problème est que cet accident spécifique est incroyablement rare. Pour chaque fois que cela se produit, des millions d'autres accidents plus courants, qui y ressemblent beaucoup, se produisent.

• L'analogie : Imaginez essayer de trouver une pièce de monnaie unique et spécifique dans un immense tas de sable. Pour rendre les choses plus difficiles, cette pièce unique ressemble presque exactement aux millions d'autres pièces du tas.

Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont utilisé un tour de passe-passe astucieux : le mode de normalisation.
Au lieu d'essayer de compter exactement combien de pièces uniques ils ont trouvées (ce qui est difficile car ils ne connaissent pas la taille totale du tas de sable), ils ont cherché une pièce légèrement différente, mais très similaire, qu'ils savaient déjà trouver.

• Ils ont comparé l'accident rare « tous protons » ($\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$) avec un accident plus courant « proton-et-kaon » ($\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$).
• En comparant les deux, de nombreuses variables désordonnées (comme la taille du tas de sable ou la qualité de leur machine à tamiser les pièces) s'annulaient. C'est comme dire : « Nous avons trouvé 1 pièce rare pour chaque 20 pièces courantes », ce qui est beaucoup plus facile à mesurer que de compter le nombre total de pièces dans l'univers.

3. Le filtre : nettoyer le désordre

Les données qu'ils ont collectées étaient pleines de « bruit » — de faux signaux causés par des particules se comportant mal ou par d'autres types de désintégrations qui y ressemblaient.

• Le veto « charme » : Les scientifiques devaient être très prudents pour ignorer les particules provenant de quarks « charme » (une autre famille de particules différente). Ils ont mis en place des filtres numériques pour dire : « Si cela ressemble à quelque chose provenant d'une particule charme, jetez-le. »
• Le filtre « résonance » : Ils devaient également ignorer les cas où les particules formaient brièvement une « résonance » lourde et temporaire (comme une étape intermédiaire de courte durée). Ils ont établi une règle : « Si le poids combiné des particules est trop lourd (au-dessus de 2,85 GeV), ignorez-le. » Cela garantissait qu'ils ne regardaient que la désintégration directe et pure qu'ils voulaient.

4. Le résultat : une découverte « 5 sigma »

Après avoir fait passer leurs données à travers des modèles informatiques complexes et des tests statistiques, les résultats étaient clairs :

• Le signal : Ils ont trouvé un « pic » net dans les données là où la désintégration rare se produisait.
• La signification : En science, un résultat « 5 sigma » est la norme d'or. Cela signifie qu'il y a moins d'une chance sur 3,5 millions que ce résultat ne soit qu'un hasard aléatoire.
• La métaphore : C'est comme lancer une pièce de monnaie 100 fois et obtenir face à chaque fois. Vous êtes maintenant à 100 % certain que la pièce est truquée. Les scientifiques sont maintenant à 100 % certains que cette désintégration existe.

5. Ce qu'ils ont mesuré

Ils n'ont pas seulement dit « cela existe ». Ils ont mesuré à quelle fréquence cela se produit par rapport à la désintégration courante.

• Ils ont découvert que pour chaque 100 fois où la désintégration courante se produit, la désintégration rare « tous protons » se produit environ 5 fois.
• Ils ont calculé ce rapport avec un haut degré de précision, en tenant compte de toutes les erreurs possibles dans leur équipement et leurs mathématiques.

6. Un petit mystère

En examinant les données, ils ont également observé un tout petit « pic » faible qui pourrait être une autre particule rare appelée le $\Xi_b^0$ se désintégrant de manière similaire. Cependant, ce signal n'était pas assez fort pour constituer une découverte (seulement environ 2,3 sigma). Ils l'ont noté comme un « peut-être », mais ils n'ont pas prétendu l'avoir trouvé pour l'instant.

Résumé

En bref, l'équipe LHCb a réussi à apercevoir une désintégration de particule très rare et « pure » qui n'avait jamais été vue auparavant. Ils ont utilisé une méthode de comparaison astucieuse pour filtrer le bruit, confirmé la découverte avec une certitude statistique élevée, et mesuré exactement à quelle fréquence cela se produit par rapport à un événement similaire plus courant. Cela aide les physiciens à comprendre les règles de l'univers et comment la matière se transforme au niveau le plus fondamental.

Résumé technique

Résumé technique : Observation de la désintégration baryonique pure sans charme $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$

Problème et motivation
L'étude des désintégrations d'hadrons $b$ en états finals baryoniques demeure un domaine significatif mais largement inexploré de la physique des saveurs hadroniques. Bien que plusieurs nouveaux modes de désintégration aient été observés récemment, notamment des désintégrations baryoniques à quatre corps sans charme de $B$ et les premières désintégrations purement baryoniques de mésons $B$, les désintégrations purement baryoniques de baryons $b$ (processus impliquant uniquement des baryons dans l'état final) sont rares. À l'heure actuelle, seuls deux tels modes, $\Lambda_b^0 \to \Sigma_c^0 p p$ et $\Lambda_b^0 \to \Sigma_c^{*0} p p$, ont été mesurés. Les prédictions théoriques suggèrent que les désintégrations purement baryoniques, telles que $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$, offrent des opportunités uniques pour étudier les asymétries de CP et les violations de la symétrie d'inversion du temps (T) en raison de leurs structures de spin riches. De plus, des enhancements au seuil de masse des paires de di-baryons dans l'état final sont attendus. Cet article pallie le manque de données expérimentales en présentant la première recherche de la désintégration sans charme et purement baryonique $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$.

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton enregistrées par l'expérience LHCb à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de $6.0 \text{ fb}^{-1}$ collectée durant la Run 2 (2015–2018).

• Signal et normalisation : La recherche cible la désintégration $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$. Pour mesurer le rapport d'embranchement, l'analyse utilise une désintégration topologiquement similaire, $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$, comme mode de normalisation. Cette approche annule les incertitudes liées à la section efficace de production du $\Lambda_b^0$ et à la luminosité intégrée.
• Reconstruction : Les baryons $\Lambda$ sont reconstruits via $\Lambda \to p \pi^-$. Les candidats sont classés en deux topologies basées sur la position du vertex de désintégration du $\Lambda$ : « long-long » (LL), où les deux trajectoires filles sont reconstruites dans le détecteur de vertex, et « aval-aval » (DD), où le $\Lambda$ se désintègre en dehors du détecteur de vertex.
• Stratégie de sélection :
  • Pré-sélection : Exige des trajectoires de haute qualité, des paramètres d'impact significatifs par rapport au vertex primaire, et une identification des particules (PID) pour distinguer les protons des kaons.
  • Analyse multivariée : Un classifieur XGBoost est entraîné sur des désintégrations simulées $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$ pour séparer le signal du bruit de fond combinatoire, en utilisant des variables cinématiques et topologiques.
  • Veto sur le charme : Pour exclure les contributions provenant de résonances de charmonium intermédiaires et d'hadrons contenant du charme, des vetos de masse invariante sont appliqués. Plus précisément, la masse invariante du système d'hadrons compagnons ($pp$ ou $K^+K^-$) doit être $m(h\bar{h}) < 2.85$ GeV, excluant explicitement la région du charmonium. Des vetos supplémentaires rejettent les états intermédiaires $D^0$, $\Lambda_c^+$ et $\Xi_c^+$.
• Détermination de l'efficacité : Les efficacités relatives sont calculées à l'aide de simulations, corrigées pour les différences données-simulation dans le suivi, le déclenchement et la PID. Pour tenir compte des distributions non uniformes de l'espace des phases, des cartes d'efficacité sont construites dans les variables de Dalitz carrées et pondérées à l'aide des techniques sPlot sur les données.
• Extraction des rendements : Un ajustement simultané par vraisemblance maximale non binné est effectué sur les distributions de masse invariante des candidats signal et de normalisation à travers les catégories LL et DD et sur quatre années de prise de données. Le modèle d'ajustement inclut des composantes de signal (modélisées par des fonctions Crystal Ball à double face), une contribution partiellement reconstruite $\Lambda_b^0 \to \Sigma^0 K^+ K^-$ pour le mode de normalisation, et un bruit de fond combinatoire.

Contributions et résultats clés

• Première observation : L'analyse rapporte la première observation de la désintégration $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$. La signification du signal, calculée à l'aide d'une statistique de test du rapport de vraisemblance et tenant compte des incertitudes systématiques, est de $5.1\sigma$.
• Mesure du rapport d'embranchement : Le rapport d'embranchement de $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$ est mesuré par rapport à $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$. Le résultat est :
  $$\frac{\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to \Lambda p p)}{\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-)} = (5.1 \pm 1.3(\text{stat}) \pm 0.3(\text{syst})) \times 10^{-2}$$
  L'incertitude systématique totale est d'environ 5,3 %, dominée par l'efficacité de suivi et les incertitudes de modélisation de l'ajustement.
• Rendements du signal : Les rendements de signal ajustés sont de $39 \pm 10$ pour le mode signal et de $640 \pm 31$ pour le mode de normalisation.
• Seconde observation : Un petit excès cohérent avec la désintégration $\Xi_b^0 \to \Lambda p p$ est observé avec une signification de $2.3\sigma$. Cependant, aucun rapport d'embranchement ni limite supérieure n'est rapporté pour ce mode, car une détermination dédiée de l'efficacité et une connaissance des fractions d'hadronisation relatives sont requises.

Signification
L'article établit l'existence de la désintégration $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$, un processus rare sans charme et purement baryonique. La mesure fournit la première entrée expérimentale pour ce mode, qui peut être utilisée pour tester les prédictions théoriques concernant les effets non factorisables, les éléments de la matrice CKM et les facteurs de forme hadroniques. Les auteurs notent que le rapport d'embranchement observé est supprimé par rapport à $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$, ce qui est cohérent avec les prédictions de la référence [7]. Le résultat complète les mesures existantes d'états finals mésoniques et ouvre une nouvelle voie pour l'étude des violations de symétrie CP et T dans les systèmes purement baryoniques. Les auteurs concluent que les analyses futures avec des ensembles de données plus importants provenant du détecteur LHCb mis à niveau permettront des études plus détaillées du spectre $\Lambda p p$, y compris des enhancements potentiels au seuil.