Observation of the decay and measurement of its decay asymmetry
En utilisant les données de l'expérience LHCb issues de collisions $pp$ à 13 TeV, cet article rapporte la première observation de la désintégration Cabibbo-supprimée , mesurant son rapport de branchement comme étant et déterminant son paramètre d'asymétrie de désintégration à .
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L'univers est construit à partir d'un petit ensemble de particules fondamentales, mais la manière dont ces particules s'assemblent pour former la matière que nous voyons est régie par deux forces distinctes. L'une des forces, l'interaction forte, agit comme une colle puissante, liant les quarks entre eux pour former des groupes plus larges appelés hadrons. L'autre, l'interaction faible, est responsable du changement d'identité des particules ou de leur désintégration en autre chose. Si la force forte est bien comprise, la force faible devient beaucoup plus difficile à prédire lorsqu'elle agit sur des groupes complexes de particules plutôt que sur des particules isolées. Les physiciens étudient ces désintégrations complexes pour comprendre comment les forces forte et faible travaillent ensemble, une relation qui demeure l'un des puzzles les plus difficiles de la physique moderne. En observant comment des particules spécifiques se brisent, les scientifiques peuvent tester les règles du Modèle Standard, le cadre qui décrit toute la matière et toutes les forces connues. Si le comportement observé ne correspond pas aux prédictions, cela pourrait révéler une nouvelle physique ou forcer une réécriture de nos théories actuelles.
Une équipe de chercheurs utilisant l'expérience Large Hadron Collider beauty (LHCb) a maintenant observé une désintégration rare qui n'avait jamais été vue auparavant. Ils se sont concentrés sur une particule appelée baryon , qui est composé de trois quarks. Dans cette étude, ils ont observé un moment précis où cette particule se transformait en un proton et un kaon chargé négativement. Cette transformation est difficile à détecter car elle est « supprimée de Cabibbo », ce qui signifie que les lois de la physique font en sorte qu'elle se produise beaucoup moins fréquemment que d'autres désintégrations similaires. De plus, le processus est piloté par un mécanisme connu sous le nom d'échange de W, où les quarks internes échangent leurs partenaires d'une manière qui est notoirement difficile à calculer avec précision pour les modèles théoriques. Comme cette désintégration n'avait jamais été observée, ses propriétés étaient un mystère total, laissant un vide dans la compréhension du comportement des quarks de charme à l'intérieur des baryons.
Pour trouver cet événement insaisissable, les scientifiques ont analysé des données de collisions proton-proton qui se sont produites à une énergie de 13 téraélectronvolts. Ils ont passé au crible une quantité massive de données de collision, équivalente à une luminosité intégrée de 5,4 femtobarns inverses, à la recherche d'une chaîne d'événements spécifique. Les particules étudiées n'ont pas été créées directement lors de la collision, mais ont été produites par la désintégration d'une particule plus lourde appelée baryon . En suivant le chemin du alors qu'il se désintégrait en et en un pion, puis en observant la désintégration du en proton et kaon, l'équipe a pu isoler le signal du bruit de fond. Ils ont utilisé des algorithmes informatiques avancés pour distinguer le véritable signal des collisions de particules aléatoires, filtrant efficacement des millions de fausses pistes pour trouver les quelques centaines d'événements authentiques dont ils avaient besoin.
L'analyse a confirmé l'existence de ce mode de désintégration pour la première fois. Les chercheurs ont mesuré la fréquence à laquelle cette transformation spécifique se produit par rapport à une désintégration plus commune de la même particule. Ils ont déterminé que la probabilité que le se transforme en un proton et un kaon est d'environ 4,5 pour 100 000 désintégrations. Cette mesure s'accompagne d'une petite marge d'erreur, mais le résultat est suffisamment significatif statistiquement pour être considéré comme une observation ferme plutôt que comme une fluctuation statistique. L'équipe a également mesuré une propriété appelée paramètre d'asymétrie de désintégration, qui décrit si les produits de la désintégration sont émis plus souvent dans une direction que dans une autre par rapport au spin de la particule parente. Ils ont trouvé cette valeur à 0,32, avec une incertitude qui permet au résultat d'être cohérent avec zéro. Cela suggère qu'il n'y a pas de préférence marquée pour la direction d'émission des particules, indiquant un équilibre spécifique entre les différentes ondes de la mécanique quantique impliquées dans le processus.
Ces découvertes fournissent un nouveau point de donnée crucial pour les théoriciens qui tentent de calculer comment les baryons de charme se désintègrent. Le taux de désintégration mesuré est nettement inférieur à la plupart des prédictions théoriques existantes, qui l'estimaient plus élevé. La seule prédiction qui s'en approchait était celle incluant de grandes incertitudes, ce qui rendait difficile de tirer des conclusions fermes de ce modèle seul. Le paramètre d'asymétrie mesuré diffère également de certaines attentes théoriques, remettant en question la compréhension actuelle des effets non perturbatifs qui dominent ces interactions. En fournissant les premiers chiffres concrets pour cette désintégration spécifique, l'étude offre un nouveau point de référence que les théories futures devront égaler. À mesure que le détecteur LHCb continue de collecter davantage de données avec des capacités améliorées, ces mesures deviendront encore plus précises, révélant potentiellement des perspectives plus profondes sur les forces fondamentales qui façonnent notre univers.
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