Branching fraction measurements of and anomalous decays
En utilisant les données de collisions $pp$ à 13 TeV de l'expérience LHCb, cet article rapporte la première recherche expérimentale des désintégrations de ainsi que la mesure la plus précise à ce jour de la fraction de branchement de , tout en fournissant de nouvelles limites supérieures et mesures pour plusieurs autres désintégrations anormales des mésons et .
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Au plus profond du monde subatomique, des particules connues sous le nom de mésons agissent comme des messagers éphémères, transportant des forces entre les briques fondamentales de la matière. Parmi elles, les mésons êta et êta-prime sont particulièrement intéressants car ils sont des cousins lourds et instables des pions, et leur comportement est régi par la force nucléaire forte, la colle qui maintient ensemble les noyaux atomiques. Les physiciens utilisent depuis longtemps ces particules pour tester les limites de leurs meilleures théories sur la manière dont l'univers fonctionne à ses plus petites échelles. Un casse-tête spécifique concerne les désintégrations rares, où ces mésons se transforment en paires de muons, des versions plus lourdes et instables des électrons. Selon le modèle standard de la physique des particules, ces transformations devraient se produire à un taux très prévisible, piloté par un effet quantique subtil impliquant la création et la destruction de photons virtuels. Cependant, si le taux réel de ces désintégrations diffère de la prédiction, cela pourrait signaler la présence de nouvelles particules ou forces invisibles qui n'ont pas encore été découvertes.
Une équipe de chercheurs utilisant l'expérience Large Hadron Collider beauty (LHCb) a jeté un nouveau regard sur ces événements rares. En analysant une vaste collection de données issues de collisions de protons à haute vitesse, ils ont mesuré la fréquence à laquelle les mésons êta se désintègrent en deux muons avec une précision sans précédent. Ils ont également recherché la même désintégration dans le méson êta-prime plus lourd, un processus qui n'avait jamais été observé auparavant. Bien qu'ils aient trouvé un signal clair pour le méson êta, ils n'ont pas trouvé suffisamment de preuves pour confirmer la désintégration de l'êta-prime, établissant au lieu de cela une limite supérieure stricte sur la fréquence à laquelle elle pourrait se produire. De plus, l'équipe a recherché un type spécifique de désintégration à quatre particules impliquant deux pions et deux muons, trouvant un signal clair pour la version êta-prime mais seulement une limite supérieure pour la version êta. Ces résultats affinent l'image de la manière dont ces particules se comportent, confirmant certaines attentes théoriques tout en laissant la porte ouverte à de futures découvertes.
Les chercheurs ont mené leur étude en utilisant des données collectées entre 2016 et 2018 au détecteur LHCb, qui est conçu pour repérer les particules contenant des quarks lourds. Ils se sont concentrés sur des collisions où l'énergie était équivalente à 13 billions d'électron-volts, une échelle suffisamment élevée pour produire un nombre immense de mésons de charme. Ces mésons de charme sont cruciaux pour l'expérience car ils se désintègrent fréquemment en les mésons êta et êta-prime que les scientifiques voulaient étudier. En suivant les débris de ces collisions, l'équipe a pu reconstruire les trajectoires des particules résultantes et identifier quand un êta ou un êta-prime s'est transformé en les combinaisons spécifiques de muons et de pions qu'ils recherchaient. Pour garantir l'exactitude de leurs mesures, ils ont comparé ces événements rares à un processus de référence bien compris impliquant un autre particle appelé méson phi, qui se désintègre également en muons. Cette comparaison a permis d'annuler de nombreuses incertitudes liées au fonctionnement du détecteur.
L'analyse a révélé un signal clair pour la désintégration du méson êta en deux muons. L'équipe a calculé que cela se produit environ 5,3 fois pour chaque million de mésons êta. Cette mesure est la plus précise jamais enregistrée pour ce processus spécifique, améliorant la précision des résultats précédents de plus de moitié. La précision de ce chiffre est significative car elle permet aux théoriciens de tester leurs calculs de la force forte avec une plus grande confiance. Si les prédictions théoriques concernant la force de l'interaction entre le méson et les photons ne correspondent pas à cette nouvelle mesure plus nette, cela pourrait pointer vers une faille dans la compréhension actuelle de la physique des particules. Le résultat constitue une confirmation solide du modèle standard pour ce canal de désintégration particulier, avec une incertitude réduite à seulement quelques pourcents.
En revanche, la recherche de la désintégration du méson êta-prime en deux muons n'a donné aucun signal définitif. Les chercheurs ont examiné les données et ont trouvé que si cette désintégration a lieu, elle doit être extrêmement rare, se produisant moins de 1,9 fois pour chaque dix millions d'êta-prime. C'est la première fois qu'une telle limite est établie pour cette particule. L'absence d'un signal clair ne signifie pas que la désintégration est impossible, mais cela signifie que, si elle existe, elle est beaucoup moins fréquente que ce que certaines théories auraient pu suggérer. L'équipe a également observé une désintégration plus complexe où l'êta-prime se brise en deux pions et deux muons. Ici, ils ont trouvé un signal fort, mesurant le taux auquel cela se produit à environ 2,7 fois pour chaque cent mille êta-prime. C'est la première fois que cette désintégration spécifique à quatre particules est mesurée pour l'êta-prime, fournissant de nouvelles données sur la manière dont ces particules interagissent avec les pions.
L'étude s'est également penchée sur le méson êta dans le mode de désintégration à quatre particules, recherchant la même combinaison de deux pions et deux muons. Dans ce cas, aucun signal n'a été trouvé. Les chercheurs ont déterminé que si cette désintégration se produit, elle doit se produire moins de 5,4 fois pour chaque dix millions d'êta. Ce résultat est cohérent avec les prédictions théoriques suggérant que la désintégration est fortement supprimée en raison de la masse plus faible de l'êta par rapport à l'êta-prime. La différence de masse limite l'espace disponible pour que les produits de la désintégration se déplacent, rendant le processus beaucoup moins probable pour la particule plus légère. En établissant ces limites supérieures, l'équipe a effectivement écarté la possibilité que cette désintégration se produise à un taux qui aurait été facilement détectable avec leurs données actuelles.
Au-delà de la tester le modèle standard, les chercheurs ont également utilisé leurs données pour chercher des signes de nouvelle physique, spécifiquement en cherchant des particules hypothétiques comme les photons sombres ou les particules de type axion qui pourraient médier ces désintégrations. Ils ont scanné les données à la recherche de motifs inattendus qui suggéreraient qu'une particule invisible est en train d'être créée puis de se désintégrer en muons. Après une recherche approfondie à travers une gamme de masses possibles pour ces particules hypothétiques, ils n'ont trouvé aucune preuve de cette nouvelle physique. Ils ont établi de nouvelles limites plus strictes sur la fréquence à laquelle ces particules exotiques pourraient être impliquées dans les désintégrations, rétrécissant ainsi l'espace de recherche pour les expériences futures. L'absence de ces signaux renforce la vue actuelle selon laquelle le modèle standard tient bon dans ce régime, bien que la porte reste ouverte à des recherches plus sensibles à l'avenir.
La précision de ces mesures est limitée non pas par la quantité de données collectées, mais par l'incertitude sur les propriétés connues de la particule de référence utilisée pour la comparaison. L'équipe s'est appuyée sur le taux de désintégration connu du méson phi en muons, qui comporte une petite marge d'erreur. Tant que cette valeur de référence n'est pas mesurée avec une plus grande précision, l'exactitude de ces nouveaux résultats restera plafonnée à son niveau actuel. Malgré cela, ce travail représente une étape majeure vers la compréhension du comportement des mésons êta et êta-prime. En fournissant la mesure la plus précise de la désintégration de l'êta en muons et les premières mesures et limites pour les canaux de l'êta-prime, la collaboration LHCb a fourni une carte plus claire du paysage subatomique. Ces résultats serviront de référence pour les théoriciens affinant leurs modèles et pour les expérimentateurs planifiant la prochaine génération de recherches sur l'inconnu.
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