Angular analysis of the decay Λb0→Λ(1520)μ+μ−
En utilisant 9 fb−1 de données de collisions proton-proton de la collisionneur LHC avec le détecteur LHCb, cet article présente la première analyse angulaire des désintégrations Λb0→Λ(1520)μ+μ−, mesurant des observables angulaires clés qui s'avèrent être en bon accord avec les prédictions du Modèle Standard.
Auteurs originaux : LHCb collaboration, R. Aaij, M. Abdelfatah, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson, C. Agapopoulou, C. A. Aidala, S. Akar, K. Akiba, H. Al Saleh, P. Albicocco, J. Albrecht, R. Aleksiejunas, F. Alessio, P. Alvarez Cartelle, A. A. Alves Jr, S. Amato, J. L. Amey, Y. Amhis, Z. Amos, L. An, L. Anderlini, P. Andreola, M. Andreotti, S. Andres Estrada, A. Anelli, D. Ao, C. Arata, F. Archilli, Z. Areg, M. Argenton, S. Arguedas Cuendis, L. Arnone, M. Artuso, E. Aslanides, R. Ataíde Da Silva, M. Atzeni, B. Audurier, J. A. Authier, D. Bacher, I. Bachiller Perea, S. Bachmann, M. Bachmayer, J. J. Back, M. Bai, Z. B. Bai, V. Balagura, A. Balboni, W. Baldini, Z. Baldwin, L. Balzani, H. Bao, J. Baptista de Souza Leite, C. Barbero Pretel, I. R. Barbosa, W. Barker, R. J. Barlow, M. Barnyakov, S. Baron, S. Barsuk, W. Barter, J. Bartz, S. Bashir, B. Batsukh, P. B. Battista, A. Bavarchee, A. Bay, A. Beck, M. Becker, F. Bedeschi, I. B. Bediaga, N. A. Behling, S. Belin, A. Bellavista, I. Belyaev, G. Bencivenni, E. Ben-Haim, J. L. M. Berkey, R. Bernet, A. Bertolin, L. Bertsch, F. Betti, J. Bex, O. Bezshyyko, S. Bhattacharya, M. S. Bieker, N. V. Biesuz, A. Biolchini, M. Birch, F. C. R. Bishop, A. Bitadze, A. Bizzeti, T. Blake, F. Blanc, J. E. Blank, S. Blusk, J. A. Boelhauve, O. Boente Garcia, T. Boettcher, A. Bohare, C. Bolognani, R. B. Bonacci, A. Bordelius, F. Borgato, S. Borghi, M. Borsato, J. T. Borsuk, E. Bottalico, S. A. Bouchiba, M. Bovill, T. J. V. Bowcock, A. Boyer, C. Bozzi, J. D. Brandenburg, A. Brea Rodriguez, N. Breer, C. Breitfeld, J. Brodzicka, J. Brown, E. Buchanan, M. Burgos Marcos, C. Burr, E. Butera, C. Buti, J. S. Butter, W. Byczynski, S. Cadeddu, H. Cai, Y. Cai, Y. Cai, A. Caillet, R. Calabrese, L. Calefice, M. Calvi, M. Calvo Gomez, P. Camargo Magalhaes, J. I. Cambon Bouzas, P. Campana, A. Campomagnani, A. C. Campos, A. F. Campoverde Quezada, Y. Cao, S. Capelli, M. Caporale, L. Capriotti, R. Caravaca-Mora, A. Carbone, L. Carcedo Salgado, R. Cardinale, A. Cardini, P. Carniti, L. Carus, R. Caspary, G. Casse, M. Cattaneo, G. Cavallero, V. Cavallini, S. Celani, I. Celestino, S. Cesare, A. J. Chadwick, M. Charles, Ph. Charpentier, E. Chatzianagnostou, R. Cheaib, M. Chefdeville, C. Chen, J. Chen, S. Chen, Z. Chen, A. Chen Hu, M. Cherif, S. Chernyshenko, X. Chiotopoulos, G. Chizhik, V. Chobanova, A. Christakakis, M. Chrzaszcz, Y. Chu, V. Chulikov, P. Ciambrone, X. Cid Vidal, P. Cifra, P. E. L. Clarke, M. Clemencic, H. V. Cliff, J. Closier, C. Cocha Toapaxi, V. Coco, A. Codovini, C. Codovini, J. Cogan, E. Cogneras, L. Cojocariu, S. Collaviti, P. Collins, T. Colombo, M. Colonna, A. Comerma-Montells, L. Congedo, J. Connaughton, A. Contu, N. Cooke, A. Corallo, G. Cordova, C. Coronel, I. Corredoira, A. Correia, G. Corti, G. C. Costantino, C. Cotirlan, J. Cottee Meldrum, B. Couturier, D. C. Craik, N. Crepet, M. Cruz Torres, M. Cubero Campos, E. Curras Rivera, R. Currie, C. L. Da Silva, X. Dai, J. Dalseno, C. D'Ambrosio, G. Darze, A. Davidson, O. De Aguiar Francisco, C. De Angelis, F. De Benedetti, J. de Boer, K. De Bruyn, S. De Capua, M. De Cian, U. De Freitas Carneiro Da Graca, F. De Gregorio, E. De Lucia, J. M. De Miranda, L. De Paula, A. De Robertis, E. De Santis, M. De Serio, P. De Simone, F. De Vellis, J. A. de Vries, F. Debernardis, D. Decamp, S. Dekkers, L. Del Buono, B. Demaire-Lepape, J. Deng, O. Deschamps, F. Dettori, B. Dey, P. Di Nezza, S. Ding, Y. Ding, L. Dittmann, J. F. Diverchy, A. D. Docheva, A. Doheny, C. Dong, F. Dordei, J. Dorta Moreno, A. C. dos Reis, J. Dos Santos Oliveira, A. D. Dowling, L. Dreyfus, W. Duan, P. Duda, L. Dufour, V. Duk, P. Durante, M. M. Duras, J. M. Durham, K. Duwe, A. Dziurda, S. Easo, E. Eckstein, U. Egede, S. Eisenhardt, E. Ejopu, L. Eklund, M. Elashri, D. Elizondo Blanco, J. Ellbracht, S. Ely, A. Ene, T. Evans, F. Fabiano, S. Faghih, L. N. Falcao, B. Fang, R. Fantechi, L. Fantini, M. Faria, K. Farmer, F. Fassin, D. Fazzini, L. Felkowski, C. Feng, M. Feng, A. Fernandez Casani, M. Fernandez Gomez, B. Fernandez Rodino, J. Fernandez-John, A. D. Fernez, F. Ferrari, F. Ferreira Rodrigues, R. A. Fini, R. Fiorenza, M. Fiorini, M. Firlej, D. S. Fitzgerald, C. Fitzpatrick, T. Fiutowski, F. Fleuret, A. Fomin, M. Fontana, M. Fontes Vaz, L. A. Foreman, R. Forty, D. Foulds-Holt, V. Franco Lima, M. Franco Sevilla, M. Frank, E. Franzoso, G. Frau, C. Frei, D. A. Friday, J. Fu, Y. Fu, Q. Führing, T. Fulghesu, M. Fulghieri, G. Galati, M. D. Galati, A. Gallas Torreira, D. Galli, S. Gambetta, M. Gandelman, P. Gandini, B. Ganie, H. Gao, R. Gao, T. Q. Gao, Y. Gao, Y. Gao, Y. Gao, L. M. Garcia Martin, P. Garcia Moreno, J. García Pardiñas, P. Gardner, L. Garrido, C. Gaspar, A. Gavrikov, J. George, E. Gersabeck, M. Gersabeck, T. Gershon, S. Ghizzo, Z. Ghorbanimoghaddam, F. I. Giasemis, V. Gibson, H. K. Giemza, A. L. Gilman, M. Giovannetti, A. Gioventù, L. Girardey, M. A. 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Hulsbergen, R. J. Hunter, D. Hutchcroft, M. Idzik, P. Ilten, A. Iohner, S. Jacevicius, H. Jage, S. J. Jaimes Elles, S. Jakobsen, T. Jakoubek, E. Jans, A. Jawahery, C. Jayaweera, A. Jelavic, V. Jevtic, Z. Jia, E. Jiang, X. Jiang, Y. Jiang, Y. J. Jiang, E. Jimenez Moya, N. Jindal, M. John, A. John Rubesh Rajan, D. Johnson, C. R. Jones, S. Joshi, B. Jost, J. Juan Castella, N. Jurik, I. Juszczak, K. Kalecinska, D. Kaminaris, S. Kandybei, M. Kane, Y. Kang, C. Kar, A. Kauniskangas, J. W. Kautz, M. K. Kazanecki, F. Keizer, M. Kenzie, T. Ketel, B. Khanji, S. Kholodenko, V. Kholoimov, G. Khreich, F. Kiraz, T. Kirn, V. S. Kirsebom, N. Kleijne, A. Kleimenova, D. Klekots, K. Klimaszewski, M. R. Kmiec, T. Knospe, R. Kolb, S. Koliiev, L. Kolk, A. Konoplyannikov, P. Kopciewicz, P. Koppenburg, A. Korchin, I. Kostiuk, O. Kot, S. Kotriakhova, E. Kowalczyk, O. Kravcov, M. Kreps, W. Krupa, W. Krzemien, O. Kshyvanskyi, S. Kubis, M. Kucharczyk, A. Kupsc, A. Kurzina, V. Kushnir, B. Kutsenko, J. Kvapil, I. 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Madhan Mohan, M. J. Madurai, D. Magdalinski, J. J. Malczewski, S. Malde, L. Malentacca, G. Manca, C. Mancuso, R. Manera Escalero, A. Mangalasseri, F. M. Manganella, R. Mangrulkar, D. Manuzzi, S. Mao, D. Marangotto, J. F. Marchand, R. Marchevski, U. Marconi, L. Mareso, E. Mariani, S. Mariani, C. Marin Benito, J. Marks, A. M. Marshall, L. Martel, G. Martelli, G. Martellotti, L. Martinazzoli, M. Martinelli, C. Martinez, A. Martinez Armas, D. Martinez Gomez, D. Martinez Santos, F. Martinez Vidal, A. Martorell i Granollers, A. Massafferri, R. Matev, A. Mathad, C. Matteuzzi, K. R. Mattioli, L. Matzner, A. Mauri, E. Maurice, J. Mauricio, P. Mayencourt, J. Mazorra de Cos, M. Mazurek, D. Mazzanti Tarancon, M. McCann, N. T. McHugh, A. McNab, R. McNulty, B. Meadows, S. E. R. Medaer, D. Melnychuk, D. Mendoza Granada, P. Menendez Valdes Perez, F. M. Meng, M. Merk, A. Merli, L. Meyer Garcia, D. Miao, H. Miao, S. Mico, M. Mikhasenko, D. A. Milanes, A. Minotti, E. Minucci, B. Mitreska, D. S. 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Wang, C. Wang, C. Wang, G. Wang, H. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, M. Wang, N. W. Wang, X. Wang, X. Wang, X. Wang, X. W. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. H. Wang, Z. Wang, Z. Wang, J. A. Ward, A. Wasili, M. Waterlaat, N. K. Watson, D. Websdale, Y. Wei, Z. Weida, J. Wendel, B. D. C. Westhenry, A. S. White, C. White, M. Whitehead, E. Whiter, A. R. Wiederhold, D. Wiedner, M. A. Wiegertjes, C. Wild, G. Wilkinson, M. K. Wilkinson, M. Williams, M. J. Williams, M. R. J. Williams, R. Williams, S. Williams, Z. Williams, F. F. Wilson, M. Winn, W. Wislicki, M. Witek, L. Witola, T. Wolf, E. Wood, G. Wormser, S. A. Wotton, H. Wu, J. Wu, T. Wu, X. Wu, Y. Wu, Z. Wu, K. Wyllie, S. Xian, Z. Xiang, Y. Xie, T. X. Xing, A. Xu, L. Xu, M. Xu, R. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, S. Yadav, K. Yang, X. Yang, Y. Yang, Y. Yang, Z. Yang, Z. Yang, H. Yeung, H. Yin, X. Yin, C. Y. Yu, J. Yu, K. Yu, X. Yuan, Y Yuan, S. Zalambani, J. A. Zamora Saa, F. Zangari, M. Zavertyaev, M. Zdybal, F. Zenesini, C. Zeng, M. Zeng, S. H Zeng, C. Zhang, C. Zhang, D. Zhang, J. Zhang, L. Zhang, Q. Z. Zhang, R. Zhang, S. Zhang, S. L. Zhang, Y. Zhang, Z. Zhang, J. Zhao, M. Zhao, Y. Zhao, A. Zhelezov, S. Z. Zheng, X. Z. Zheng, Y. Zheng, T. Zhou, X. Zhou, V. Zhovkovska, L. Z. Zhu, X. Zhu, X. Zhu, Y. Zhu, V. Zhukov, J. Zhuo, T. Zies, D. Zuliani, X. Zuo
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Au plus profond du monde subatomique, les particules connues sous le nom de baryons sont constituées de trois quarks, les briques fondamentales de la matière. Parmi elles, le baryon Lambda-b est une particule lourde et instable qui contient un quark de type "bottom". Dans le Modèle Standard, la théorie prédominante de la physique des particules, cette particule peut se désintégrer, ou se briser, en particules plus légères. Un mode spécifique de cette désintégration implique qu'un quark bottom se transforme en un quark strange, un processus qui est rare et fortement supprimé par les lois de la nature. Parce que ce changement se produit si peu fréquemment et ne passe que par des boucles quantiques complexes, il agit comme un microscope sensible. Si les règles du Modèle Standard sont incomplètes, ou si de nouvelles forces invisibles existent, elles laisseraient une empreinte distincte sur la manière dont ces particules se désintègrent. Les physiciens étudient ces désintégrations rares pour voir si le comportement réel de la nature correspond aux prédictions précises de la théorie, ou si les données révèlent une fissure dans les fondations qui pointerait vers une nouvelle physique.
Des chercheurs de l'expérience LHCb (Large Hadron Collider beauty) ont maintenant réalisé la première analyse angulaire détaillée de la désintégration du baryon Lambda-b en une résonance Lambda(1520) et une paire de muons. Le Lambda(1520) est un état excité de courte durée de la particule Lambda qui se fragmente rapidement en un proton et un kaon. En examinant les directions dans lesquelles ces particules résultantes s'envolent les unes par rapport aux autres, l'équipe a pu reconstruire la géométrie de la désintégration. Ils ont analysé des données collectées entre 2011 et 2018, correspondant à neuf femtobarns inverses de collisions proton-proton. Cet ensemble massif de données leur a permis d'isoler des milliers de ces événements rares et de mesurer des quantités spécifiques qui décrivent la forme de la désintégration. L'équipe s'est concentrée sur deux mesures clés : une asymétrie avant-arrière, qui nous indique si les muons préfèrent voler dans la direction de la particule d'origine ou à l'opposé, et une observable angulaire moyennée par rapport à la symétrie CP, qui décrit la distribution globale des angles de désintégration.
L'analyse a été menée sur cinq plages distinctes de la masse invariante de la paire de muons, une valeur qui agit comme une coordonnée sur le spectre énergétique de la désintégration. Les chercheurs ont dû être extrêmement prudents pour séparer le signal du bruit de fond. La désintégration qu'ils recherchaient produit un proton et un kaon avec une masse combinée très proche de 1520 MeV/c², mais d'autres particules peuvent imiter cette signature. Pour résoudre cela, ils ont utilisé un modèle statistique sophistiqué qui traitait le signal comme un mélange de la résonance dominante Lambda(1520) et de plus petites contributions provenant d'autres résonances plus légères possédant des propriétés de spin différentes. Ils ont également tenu compte du fait que le détecteur lui-même ne voit pas toutes les directions de manière égale, corrigeant ces biais à l'aide de simulations informatiques détaillées. En ajustant les données à leur modèle, ils ont extrait les valeurs des observables angulaires dans chaque intervalle d'énergie.
Les résultats ont montré que les valeurs mesurées pour l'asymétrie avant-arrière et la distribution angulaire sont en bon accord avec les prédictions du Modèle Standard. Les données n'ont révélé aucun écart significatif suggérant la présence d'une nouvelle physique ou de forces au-delà de la théorie actuelle. Bien que les mesures soient actuellement limitées par la statistique, ce qui signifie que davantage de données seraient nécessaires pour affiner la précision, le fait que les résultats s'alignent sur les attentes théoriques est une validation significative de notre compréhension de ces processus rares. Ce travail établit une nouvelle base de référence pour l'étude des désintégrations de baryons, complétant les études précédentes sur les mésons et ouvrant la voie à des tests futurs plus précis à mesure que l'expérience LHCb continue de collecter des données. L'étude confirme que, pour ce canal de désintégration spécifique, la nature se comporte de manière cohérente avec les prédictions du Modèle Standard dans les limites des incertitudes statistiques actuelles.
Résumé technique : Analyse angulaire de la désintégration Λb0→Λ(1520)μ+μ−
Problème et motivation
L'article traite de la désintégration par courant neutre à changement de saveur (FCNC) Λb0→Λ(1520)μ+μ−, un processus impliquant une transition de quarks b→s qui est Cabibbo- et boucle-supprimée au sein du Modèle Standard (SM). Des désintégrations mésoniques similaires (par exemple, B→K(∗)μ+μ−) ont montré des tensions avec les prédictions du SM, mais les désintégrations baryoniques offrent une sonde complémentaire. La présence d'un quark spectateur supplémentaire dans le baryon Λb0 permet un traitement théorique différent de l'interaction hadronique, et les spins non nuls du Λb0 et de la résonance Λ(1520) (JP=3/2−) permettent l'étude de structures de spin inaccessibles dans les désintégrations de mésons. L'objectif principal est de réaliser la première analyse angulaire de ce canal de désintégration spécifique afin de mesurer des observables angulaires sensibles à la physique au-delà du Modèle Standard (BSM).
Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur LHCb entre 2011 et 2018, correspondant à une luminosité intégrée de 9 fb−1 à des énergies de centre de masse de 7, 8 et 13 TeV.
- Sélection des événements : Les candidats sont reconstruits en combinant un Λ(1520) (se désintégrant en pK−) avec deux muons de charges opposées. Les critères de sélection incluent la qualité du sommet, la significativité de la distance de vol et l'identification des particules. Un classificateur de type arbre de décision boosté (BDT) multivarié est employé pour supprimer le bruit de fond combinatoire.
- Régions cinématiques : L'analyse est effectuée dans cinq intervalles de la masse invariante des dimuons au carré (q2), quatre intervalles étroits [0,1,3,0], [3,0,6,0], [6,0,8,0] et [10,0,12,5] GeV2/c4, et un intervalle large [1,1,6,0] GeV2/c4. Les régions contenant les résonances J/ψ et ψ(2S) sont exclues.
- Formalisme angulaire : La largeur de désintégration différentielle est modélisée à l'aide d'une expression simplifiée dérivée dans la limite des quarks lourds. L'analyse prend en compte la résonance dominante Λ(1520) (J=3/2) et les contributions subdominantes d'autres résonances Λ∗ excitées avec un spin J=1/2 (collectivement ΛJ=1/2∗, principalement Λ(1405) et Λ(1600)).
- Stratégie d'ajustement (Fitting) :
- Ajustement de masse : Un ajustement de maximum de vraisemblance non binned étendu sur la masse invariante pK−μ+μ− détermine le rendement du signal. Le signal est modélisé avec une fonction Hypatia, et le bruit de fond avec une exponentielle.
- Ajustement de la forme de raie (Lineshape) : La distribution de la masse invariante pK− est ajustée pour déterminer la fraction de la composante Λ(1520) (f3/2) par rapport au bruit de fond J=1/2, en modélisant le Λ(1520) avec une Breit-Wigner relativiste et la composante J=1/2 avec un polynôme.
- Ajustement angulaire : Les distributions angulaires (cosθℓ, cosθp) sont ajustées à l'aide d'une fonction de densité de probabilité (PDF) qui inclut les observables angulaires moyennes par rapport à la CP pour les deux états de spin et les paramètres (i1,i2) pour modéliser l'interférence de phase forte entre les résonances.
- Systématiques : Des études approfondies des incertitudes systématiques sont réalisées, couvrant la modélisation de la forme de la masse, la composition du bruit de fond, les corrections de simulation pour l'acceptation angulaire, et les biais d'ajustement provenant des limites physiques.
Principales contributions
- Première analyse angulaire : Ce travail présente la première analyse angulaire des désintégrations Λb0→Λ(1520)μ+μ−.
- Nouveau modèle d'ajustement : L'article introduit un modèle d'ajustement angulaire complet qui gère simultanément le signal Λ(1520) J=3/2 et le bruit de fond Λ∗ J=1/2, incluant les termes d'interférence. Ce modèle est validé par des pseudo-expériences et des simulations.
- Mesure de nouvelles observables : L'analyse détermine l'asymétrie de charge de l'antiparticule leptonique (AFB,3/2ℓ) et l'observable angulaire moyenne par rapport à la CP (S1cc) dans plusieurs intervalles de q2.
Résultats
Les valeurs mesurées pour AFB,3/2ℓ et S1cc à travers les cinq intervalles de q2 sont présentées dans le Tableau 3. Les résultats sont dominés par la statistique, avec des incertitudes totales allant d'environ 0,1 à 0,3 selon l'observable et l'intervalle.
- Les valeurs mesurées sont en bon accord avec les prédictions du Modèle Standard basées sur la QCD sur réseau, les bornes dispersives et les calculs du modèle de quarks.
- Plus précisément, les valeurs de AFB,3/2ℓ sont cohérentes avec zéro dans les incertitudes dans la plupart des intervalles, et les valeurs de S1cc sont conformes aux attentes théoriques.
- L'analyse confirme que les effets d'interférence entre le Λ(1520) et les autres résonances Λ∗ sont non négligeables et doivent être inclus dans le modèle d'ajustement.
Signification
L'article affirme que les résultats constituent une première mesure réussie des observables angulaires dans ce canal de désintégration baryonique, validant le cadre théorique utilisé pour décrire la structure de spin de l'interaction. L'accord avec les prédictions du SM suggère l'absence de déviation significative par rapport au Modèle Standard dans ce canal spécifique au niveau de précision actuel. Les auteurs notent que la mesure est actuellement limitée par la statistique et que les analyses futures avec des ensembles de données plus importants collectés par LHCb permettront des modèles plus complexes et potentiellement une meilleure discrimination entre les prédictions théoriques. Ce travail établit une méthodologie pour analyser les désintégrations Λb0→Λ∗μ+μ− qui tient compte de la complexité des résonances chevauchantes et de l'interférence.
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