First measurements of the branching fractions of and
En utilisant les données collectées par le détecteur BESIII, cet article rapporte la première observation des désintégrations hadroniques et , mesurant leurs fractions de branchement et constatant que leur rapport est cohérent avec la règle des 12 % tout en ne révélant aucun état intermédiaire ou renforcement de seuil significatif.
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Dans le monde subatomique, la matière est construite à partir d'une poignée de particules fondamentales qui interagissent via des forces bien plus complexes que la gravité ou le magnétisme. Parmi celles-ci, une famille de particules appelées charmoniums sert de laboratoire unique pour les physiciens. Ce sont des particules lourdes et éphémères, composées d'un quark de charme et de son jumeau de l'antimatière, liées si étroitement qu'elles constituent un point de départ propre pour étudier comment la force nucléaire forte — la colle qui maintient ensemble les noyaux atomiques — se comporte lorsqu'elle passe d'un régime mathématique prévisible à un régime chaotique et désordonné. Lorsque ces particules lourdes se désintègrent, elles se brisent en particules plus légères et plus communes, telles que les protons, les neutrons et leurs cousins, les hyperons. En observant précisément la fréquence à laquelle une particule lourde spécifique se brise en un ensemble spécifique de fragments plus légers, les scientifiques peuvent tester une règle empirique de longue date. Cette règle suggère que si une version plus lourde de la particule se désintègre en une certaine combinaison de fragments, elle doit le faire à un taux représentant environ douze pour cent du taux de sa sœur plus légère. Pendant des décennies, cette « règle des douze pour cent » s'est avérée exacte pour de nombreuses désintégrations, mais elle a également été célèbre pour avoir été contredite dans quelques cas spécifiques, laissant les physiciens perplexes quant aux forces cachées ou aux nouvelles particules qui pourraient interférer.
Une équipe de chercheurs utilisant le détecteur BESIII au collisionneur BEPCII en Chine a maintenant ajouté un nouveau chapitre à cette histoire en observant une désintégration rare qui n'avait jamais été vue auparavant. Ils ont examiné des milliards de collisions impliquant deux particules lourdes spécifiques, connues sous les noms de J/psi et psi(3686), qui sont essentiellement les frères et sœurs plus légers et plus lourds de la famille des charmoniums. Dans leur ensemble massif de données, contenant plus de dix milliards d'événements J/psi et plus de deux milliards d'événements psi(3686), ils ont recherché un résultat très spécifique : la création simultanée d'un méson êta neutre et d'une paire d'hyperons sigma neutres, l'un fait de matière et l'autre d'antimatière. C'est un processus difficile à capturer car les particules impliquées sont instables et se désintègrent presque instantanément en d'autres choses, ce qui nécessite aux chercheurs de reconstituer l'événement original à partir d'une trace de particules secondaires comme des photons, des protons et des pions. En filtrant soigneusement le bruit des collisions de fond et en reconstruisant les trajectoires de ces fragments fugaces, l'équipe a réussi à identifier la première preuve claire de cette désintégration spécifique se produisant dans la nature.
Les chercheurs ont trouvé que la particule J/psi plus légère produisait ce trio de fragments spécifiques dans environ sept et demi cas sur cent mille désintégrations. La particule psi(3686) plus lourde faisait de même, mais beaucoup plus rarement, apparaissant dans environ un cas sur trois pour cent mille désintégrations. En comparant ces deux taux, ils ont calculé un rapport d'environ dix-sept pour cent. Ce résultat est significatif car il s'aligne étroitement sur la règle des douze pour cent attendue, ne différant que d'une petite marge qui entre dans la plage de fluctuation statistique normale. Cette découverte suggère que, contrairement à d'autres désintégrations rares qui ont défié les attentes, ce processus particulier suit les modèles standards prédits par la théorie, offrant un rare moment de cohérence dans un domaine souvent défini par les surprises.
Au-delà de la simple comptabilisation des événements, l'équipe a également examiné de près l'énergie et la masse des particules pour voir si des structures cachées se tapissaient dans les données. Parfois, lorsque des particules se désintègrent, elles passent par un état intermédiaire bref où elles forment une version temporaire et excitée d'une particule connue avant de se briser complètement. Les chercheurs ont passé les données au crible pour chercher des signes de ces états intermédiaires ou des pics soudains dans le nombre d'événements à des niveaux d'énergie spécifiques, ce qui pourrait indiquer la présence de nouvelles particules non découvertes. Ils n'ont rien trouvé de tel. Les données ont montré une distribution lisse sans bosses ou pics inattendus, indiquant que la désintégration se produit directement sans former d'intermédiaires exotiques de courte durée. Cette absence de structures cachées est en soi un résultat important, car elle permet d'exclure plusieurs modèles théoriques qui prédisaient que de telles caractéristiques seraient présentes.
La mesure a été rendue possible par le volume considérable de données collectées et la précision du détecteur, qui peut suivre les trajectoires des particules chargées et mesurer l'énergie des particules de lumière avec une extrême précision. L'équipe a dû tenir compte de nombreuses sources potentielles d'erreur, de l'efficacité de leurs détecteurs aux modèles mathématiques utilisés pour simuler les collisions, afin de garantir que leurs chiffres finaux soient robustes. Ils ont confirmé que la différence entre les taux observés et la prédiction théorique n'est pas assez grande pour revendiquer une violation de la règle, ni assez grande pour suggérer une nouvelle découverte. Au lieu de cela, ce travail fournit un point de donnée solide et mesuré qui s'insère parfaitement dans le cadre existant de la physique des particules. En confirmant que cette désintégration spécifique suit le modèle attendu et en montrant l'absence de signes d'interférence exotique, l'étude aide à affiner notre compréhension de la manière dont la force forte opère dans la transition entre l'ordre et le chaos, ajoutant une pièce fiable au puzzle complexe du monde subatomique.
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