Improved search for radiative transitions
En utilisant un ensemble de données amélioré de provenant du détecteur BESIII, cette étude ne trouve aucun signal significatif pour les transitions radiatives et établit de nouvelles limites supérieures plus strictes, au niveau de confiance de 90 %, sur leurs fractions de branchement et leurs largeurs de désintégration partielle, réduisant les contraintes précédentes par des facteurs d'environ trois et deux, respectivement.
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Au plus profond du monde subatomique, des particules connues sous le nom de charmonium existent sous la forme de paires éphémères d'un quark charm lourd et de son jumeau d'antimatière, liés ensemble par la force nucléaire forte. Parmi elles, le est un état particulièrement intéressant, se situant juste au-dessus du seuil énergétique où ces paires de quarks peuvent se briser pour former des particules à charme ouvert. Les physiciens s'attendent depuis longtemps à ce que cette particule se désintègre presque exclusivement en ces paires de charme ouvert, pourtant des observations ont suggéré une réalité plus complexe où elle se transforme occasionnellement en d'autres particules plus légères. Une transformation spécifique que les théoriciens ont été impatients de confirmer implique l'émission par le d'un flash de lumière, ou un photon, et sa transformation en un état différent, plus étroitement lié, appelé . Ce processus est une transition radiative, un moyen pour la particule lourde de perdre de l'énergie et de changer sa structure interne. Comprendre si cela se produit et à quelle fréquence, est crucial car le taux de cette désintégration peut révéler si la particule se comporte exactement comme les modèles simples le prédisent, ou si des effets quantiques plus complexes, impliquant des particules virtuelles apparaissant et disparaissant, jouent un rôle significatif.
Une équipe de chercheurs utilisant le détecteur BESIII, un instrument massif conçu pour capturer les débris de collisions à haute énergie, s'est donné pour mission de trouver des preuves de cette transformation spécifique émettant de la lumière. Ils ont analysé une vaste collection de données contenant des milliards de collisions électron-positron, un échantillon sept fois plus grand que celui qui avait été utilisé lors des tentatives précédentes pour trouver ce signal. En reconstruisant soigneusement les trajectoires des particules chargées et l'énergie des photons, ils ont recherché la signature spécifique du se transformant en un photon et une particule , laquelle se désintègre immédiatement en une combinaison spécifique de kaons et de pions. Malgré l'immense taille de leur ensemble de données et la précision de leurs instruments, les chercheurs n'ont trouvé aucun signal significatif. Les données ne montraient pas le pic clair qui indiquerait la présence de ces nouvelles particules ; au lieu de cela, les événements observés étaient cohérents avec des processus de fond connus qui imitent le signal mais n'impliquent pas la transformation en question.
Comme aucun signal n'a été trouvé, l'équipe n'a pas pu mesurer un taux spécifique pour cette désintégration. Au lieu de cela, ils ont calculé les limites supérieures les plus strictes possibles sur la fréquence à laquelle cet événement pourrait éventuellement se produire sans contredire leurs données. Ils ont déterminé que la probabilité que le se désintègre en un photon et l'état plus léger est inférieure à 5,0 fois , et pour la version légèrement plus lourde de l' , la limite est encore plus basse, à 3,7 fois . En termes d'énergie libérée lors de la désintégration, ils ont établi que le taux pour la transition la plus légère doit être inférieur à 5,5 keV, et pour la plus lourde, inférieur à 29,4 keV. Ces nouvelles limites sont nettement plus serrées que les mesures précédentes, écartant de fait une large gamme de prédictions théoriques qui suggéraient que la désintégration devrait se produire beaucoup plus fréquemment.
Les résultats fournissent une frontière plus nette dans laquelle les physiciens théoriciens peuvent travailler. Bien que certains modèles incluant des interactions complexes avec les canaux de charme ouvert prédisaient des taux qui sont toujours compatibles avec ces nouvelles limites plus strictes, d'autres modèles reposant sur des corrections relativistes spécifiques prédisent des taux bien trop faibles pour être détectés, même avec cette sensibilité améliorée. L'absence de signal suggère que si cette transformation se produit, c'est un événement très rare, se produisant bien moins souvent que certaines premières calculs ne le suggéraient. Cette découverte aide à affiner notre compréhension des forces qui maintiennent les quarks ensemble, confirmant que le comportement du est plus subtil qu'une simple désintégration en charme ouvert, tout en n'étant peut-être pas aussi dramatique que certains modèles d'interférence quantique exotique l'espéraient. Cette étude témoigne de la puissance de l'accumulation de données pour repousser les limites de ce que nous pouvons voir, même lorsque la réponse est un « non » silencieux plutôt qu'une découverte bruyante.
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