$C\!P$ violation analysis of local and nonlocal amplitudes in the $\overline{B}^0 \to \overline{K}^{*0}\mu^+\mu^-$ decay

En utilisant 8,4 fb$^{-1}$ de données des périodes Run 1 et Run 2 de LHCb, cette étude réalise une analyse complète de la violation de $C\!P$ dans la désintégration $\overline{B}^0 \to \overline{K}^{*0}\mu^+\mu^-$ en ajustant les observables angulaires avec des amplitudes hadroniques non locales, obtenant une amélioration d'un ordre de grandeur de la précision des coefficients de Wilson violant la $C\!P$ tout en ne trouvant aucune déviation significative par rapport au Modèle Standard.

L'essentiel

Imaginez l'univers comme une immense piste de danse cosmique. Depuis longtemps, les physiciens tentent de comprendre pourquoi il y a beaucoup plus de « matière » (la substance dont nous sommes faits) que d'« antimatière » (son jumeau mystérieux et opposé). Si les règles de la danse étaient parfaitement symétriques, la matière et l'antimatière auraient dû être créées en quantités égales et s'annihiler instantanément, laissant un univers vide. Mais nous sommes là, donc la danse a dû comporter un léger pas irrégulier.

Ce document est un rapport de l'expérience LHCb au CERN, un collisionneur de particules massif situé en Suisse. Ils cherchent ce pas irrégulier, connu sous le nom de violation de CP, en observant un mouvement de danse très spécifique et rare exécuté par une particule subatomique appelée le méson $B^0$.

Voici une décomposition de ce qu'ils ont fait et de ce qu'ils ont découvert, en utilisant des analogies simples :

1. Le Mouvement de Danse Rare

Les scientifiques ont observé la désintégration (la fragmentation) d'une particule spécifique en un ensemble d'autres particules : un méson $K^{*0}$ et deux muons (des électrons lourds).

• L'analogie : Imaginez une routine de danse rare et complexe où un danseur tourne sur lui-même et se sépare en trois partenaires spécifiques. Cela se produit très rarement dans la nature.
• Pourquoi cela compte : Dans le « Modèle Standard » (le manuel de règles actuel de la physique), cette danse devrait ressembler presque exactement de la même manière, que le danseur soit fait de matière ou d'antimatière. Si la danse semble différente, cela signifie que le manuel de règles est incomplet, et qu'il pourrait y avoir de nouvelles forces cachées en jeu.

2. L'Approche « Plein Spectre »

Les expériences précédentes tentaient de trouver cette différence en examinant des tranches spécifiques de la danse, en évitant les parties « bruyantes » où d'autres particules (comme les résonances de charmonium) interfèrent. C'était comme essayer d'entendre un chuchotement dans une pièce calme en n'écoutant que lorsque la musique s'arrête.

• Ce que ce document a fait différemment : Cette équipe a observé toute la piste de danse, y compris les parties bruyantes et chaotiques où les particules « charmonium » dansent.
• L'analogie : Au lieu d'attendre que la musique s'arrête, ils ont monté le volume et analysé toute la chanson, y compris les basses lourdes et les harmonies complexes. En utilisant un filtre mathématique sophistiqué (appelé « amplitudes non locales »), ils ont pu séparer le « chuchotement » spécifique de la violation de CP du « bruit » des autres particules.

3. La « Phase Faible » et la Boussole

Pour trouver la différence entre la matière et l'antimatière, les scientifiques ont examiné les angles sous lesquels les particules se sont dispersées.

• L'analogie : Imaginez que les particules sont des flèches tirées d'un arc. La direction dans laquelle elles volent dépend d'une « boussole » cachée à l'intérieur de la particule, appelée phase faible.
• L'objectif : Ils voulaient voir si la boussole du danseur « matière » pointait dans une direction légèrement différente de celle du danseur « antimatière ». Si les boussoles pointaient dans des directions différentes, ce serait le « pas irrégulier » causant le déséquilibre matière-antimatière.

4. Les Résultats : Une Danse Parfaitement Symétrique

Après avoir analysé une quantité massive de données (équivalente à 8,4 « femtobarns inversés » — une unité représentant des milliards de collisions), l'équipe a effectué une mesure précise.

• La découverte : Les boussoles de la matière et de l'antimatière pointaient dans la même direction exacte, dans les limites de leurs outils de mesure.
• L'analogie : Ils ont observé la danse sous tous les angles, dans toutes les conditions d'éclairage, et ont constaté que le danseur de matière et le danseur d'antimatière ont exécuté la routine avec une symétrie parfaite. Il n'y avait aucun « pas irrégulier » détectable.
• La précision : Leur mesure était incroyablement nette — environ 10 fois plus précise que les tentatives précédentes. Ils pouvaient maintenant mesurer les parties « imaginaires » de la physique (les phases cachées) encore mieux que les parties « réelles ».

5. Ce Que Cela Signifie

• Aucune Nouvelle Physique Découverte (Encore) : Les résultats correspondent parfaitement aux prédictions actuelles du « Modèle Standard ». L'univers se comporte toujours selon les règles connues pour ce mouvement de danse spécifique.
• Une Base Plus Solide : Même s'ils n'ont pas trouvé de nouvelle physique, ils ont établi une « clôture » beaucoup plus serrée autour de l'endroit où la nouvelle physique pourrait se cacher. S'il existe une nouvelle force causant le déséquilibre matière-antimatière, elle doit se cacher dans un endroit encore plus subtil que ce que cette expérience a pu détecter.
• Le Succès « Non Local » : Le document prouve que leur nouvelle méthode d'analyse de « toute la chanson » (y compris les résonances de charmonium) fonctionne. C'est un test réussi de leurs outils mathématiques, même si le résultat était « rien de nouveau ».

Résumé

L'équipe LHCb a effectué le contrôle le plus précis à ce jour sur le comportement d'une particule spécifique par rapport à son jumeau d'antimatière. Ils ont examiné les angles des débris de milliards de collisions, en utilisant des mathématiques avancées pour filtrer le bruit de fond. Ils n'ont trouvé aucune différence. La danse est parfaitement symétrique, cohérente avec notre compréhension actuelle de l'univers, mais les outils qu'ils ont utilisés pour vérifier sont désormais plus précis que jamais.

Résumé technique

Résumé technique : Analyse de la violation de CP des amplitudes locales et non locales dans la désintégration $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$

Énoncé du problème
La dominance observée de la matière sur l'antimatière dans l'univers reste inexpliquée par le Modèle Standard (SM), car le mécanisme intégré du SM pour la violation de CP est insuffisant pour rendre compte de l'asymétrie observée. Les désintégrations à courant neutre changeant de saveur (FCNC), telles que $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$, sont des sondes hautement sensibles pour la physique au-delà du Modèle Standard (BSM) en raison de la suppression des contributions du SM. Alors que les analyses précédentes de cette désintégration ont produit des résultats difficiles à expliquer dans le cadre du SM, des conclusions fermes concernant la physique BSM ont été entravées par les incertitudes théoriques dans le calcul des effets de l'interaction forte (amplitudes hadroniques non locales). De plus, les mesures antérieures de la violation de CP dans ce canal étaient limitées à des régions de la masse invariante au carré du dimuon ($q^2$) éloignées des résonances du charmonium, restreignant la sensibilité principalement aux asymétries T-impaires et laissant les asymétries T-paires (proportionnelles au sinus de la différence de phase forte) largement inexplorées.

Méthodologie
Cette analyse utilise des données de collisions proton-proton collectées par l'expérience LHCb durant la Run 1 (2011–2012) et la Run 2 (2016–2018), correspondant à une luminosité intégrée de $8.4 \text{ fb}^{-1}$. L'étude réalise une recherche de violation de CP dans la désintégration $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$ (avec $K^{*0} \to K^-\pi^+$) en exploitant la distribution angulaire complète à cinq dimensions des produits de désintégration ($\cos \theta_\ell, \cos \theta_K, \phi, q^2, m^2_{K\pi}$) sur toute la gamme cinématique $0.1 \le q^2 \le 18.0 \text{ GeV}^2/c^4$.

Les caractéristiques méthodologiques clés incluent :

• Ajustement de vraisemblance maximale non binné : L'analyse utilise un ajustement non binné des distributions de masse et angulaires, ajustant simultanément les échantillons $B^0$ et $\bar{B}^0$.
• Inclusion des amplitudes non locales : Contrairement aux études précédentes qui excluaient les régions du charmonium, cette analyse inclut le spectre complet de $q^2$, incorporant l'interférence entre les amplitudes FCNC et les amplitudes non locales provenant des résonances du charmonium ($J/\psi, \psi(2S)$, etc.) et des états intermédiaires à charme ouvert. Cela permet une sensibilité aux asymétries T-paires.
• Cadre de la théorie effective faible : Les amplitudes de désintégration sont modélisées à l'aide du Hamiltonien de la théorie effective faible. L'analyse détermine les coefficients de Wilson complexes ($C_7, C_9, C_{10}$ et leurs homologues primés) en paramétrant le coefficient effectif $C_9^{\text{eff}}(q^2)$ pour inclure les contributions non locales via des relations de dispersion impliquant des densités spectrales pour les boucles $c\bar{c}$ et $q\bar{q}$.
• Contrôle systématique : Les asymétries de détection entre matière et antimatière sont atténuées par l'inversion de la polarité du champ magnétique. Les incertitudes systématiques, y compris celles provenant des différences d'acceptation et du lissage de résolution, sont évaluées à l'aide de pseudo-expériences et d'une calibration basée sur les données. La fraction de signal est déterminée par un ajustement de masse unidimensionnel, et l'ajustement final contraint 153 paramètres libres, incluant les coefficients de Wilson, les paramètres non locaux, les facteurs de forme et les formes de fond.

Contributions clés

• Première analyse CP du spectre complet : Ce travail présente la première mesure directe des phases des coefficients de Wilson $C_9$ et $C_{10}$ de la transition $b \to s \ell^+\ell^-$ utilisant une analyse non binnée de $q^2$ incluant les régions de résonance du charmonium.
• Sensibilité accrue : En incluant l'interférence entre les résonances du charmonium et le processus FCNC, l'analyse gagne en sensibilité aux asymétries T-paires, qui étaient précédemment inaccessibles dans les analyses binnées excluant les régions de résonance.
• Amélioration de la précision : La précision des observables de violation de CP est améliorée d'un ordre de grandeur par rapport aux mesures précédentes. Notamment, les parties imaginaires des coefficients de Wilson sont désormais déterminées avec une plus grande précision que les parties réelles.
• Contraintes indépendantes du modèle : L'ajustement n'assume pas les valeurs du SM pour les autres coefficients de Wilson lors de la procédure de profilage, permettant une extraction plus robuste des phases de violation de CP.

Résultats
L'analyse ne trouve aucune preuve significative de violation de CP directe dans la désintégration $B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-$. Les résultats sont compatibles avec le Modèle Standard.

• Coefficients de Wilson : Les valeurs mesurées pour les modules et les phases de $C_9$ et $C_{10}$ sont compatibles avec les attentes du SM à l'intérieur de $1\sigma$.
  • $\delta\phi_{C9} = -0.067 \pm 0.032 \text{ (stat)} \pm 0.011 \text{ (syst)}$
  • $\delta\phi_{C10} = 0.043 \pm 0.035 \text{ (stat)} \pm 0.010 \text{ (syst)}$
• Phase faible : Sous l'hypothèse que le SM est la seule source de violation de CP, la phase faible moyenne pour $C_9$ et $C_{10}$ est déterminée à $-0.012 \pm 0.025 \text{ (stat)} \pm 0.008 \text{ (syst)}$. Ceci est compatible avec la valeur dérivée des oscillations de $B_s^0$ dans la désintégration $B_s^0 \to J/\psi\phi$.
• Partie réelle de $C_9$ : La partie réelle de $C_9$ est mesurée à environ $0.8$ unité inférieure à l'attente du SM, une tendance compatible avec d'autres analyses mais avec une signification de seulement $2.1\sigma$ dans ce contexte spécifique, principalement en raison du traitement des contributions non locales comme paramètres d'ajustement plutôt que comme estimations théoriques.

Signification
L'article affirme que cette analyse représente une avancée significative dans la recherche de violation de CP dans les désintégrations à courant neutre changeant de saveur. Elle atteint un niveau de sensibilité à la violation de CP comparable aux attentes du SM, une capacité précédemment inatteinte dans ce canal de désintégration spécifique. En explorant un ensemble de couplages violant la CP auxquels les oscillations de $B_s^0$ ne sont pas sensibles, et en améliorant la précision des composantes imaginaires des coefficients de Wilson d'un ordre de grandeur, ce travail fournit des contraintes rigoureuses sur les modèles de physique BSM qui induiraient de nouvelles phases de violation de CP dans les transitions $b \to s$. Les résultats renforcent la cohérence du SM dans ce secteur tout en établissant une nouvelle référence pour la précision dans la détermination des phases faibles dans les désintégrations rares.