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Measurements of the inclusive Branching fractions of the $D_s^+ \to \eta (\eta^\prime) X$ decays

En utilisant 7,33 fb⁻¹ de données de collisions $e^+e^-$ collectées par le détecteur BESIII, cette étude mesure les fractions de branchement inclusives des désintégrations $D_s^+ \to \eta X$ et $D_s^+ \to \eta^\prime X$ avec une précision significativement améliorée par rapport aux résultats précédents de CLEO.

Auteurs originaux : BESIII Collaboration

Publié 2026-09-30

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : BESIII Collaboration

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Dans le monde subatomique, la matière est construite à partir d'une petite famille de particules fondamentales appelées quarks. Lorsque ces quarks se regroupent par paires, ils forment des particules à vie courte connues sous le nom de mésons. L'un de ces particules, le méson $D_s^+$ , est une combinaison spécifique d'un quark charm et d'un quark étrange. Parce qu'il est instable, il ne dure pas longtemps ; il se désintègre rapidement en d'autres particules plus légères. Les physiciens étudient ces ruptures, appelées désintégrations, pour comprendre les règles qui régissent la façon dont la matière se transforme. En mesurant précisément la fréquence à laquelle un méson $D_s^+$ se transforme en groupes spécifiques de particules, les scientifiques peuvent vérifier si leurs théories actuelles de l'univers sont complètes. Si les chiffres concordent parfaitement, la théorie est validée. S'il existe un écart entre ce qui est prédit et ce qui est observé, cela suggère l'existence de processus cachés ou de particules encore inconnues qui attendent d'être découvertes.

Un chercheur utilisant le détecteur BESIII à l'Institut de physique des hautes énergies de Pékin a jeté un nouveau regard de haute précision sur la manière dont le méson $D_s^+$ se désintègre. Il s'est concentré sur deux résultats spécifiques : les cas où la désintégration produit une particule appelée méson $\eta$ , et les cas où elle produit un cousin légèrement plus lourd, le méson $\eta'$ . Ces deux particules sont spéciales car elles apparaissent dans un grand nombre de désintégrations de $D_s^+$ , représentant plus d'un tiers de tous ces événements. Cependant, les mesures précédentes de ces désintégrations n'étaient pas assez précises pour dire si les modes connus de rupture de la particule étaient les seuls existants. La nouvelle étude utilise une quantité massive de données collectées lors de collisions électron-positron pour mesurer ces taux de désintégration avec une précision bien plus grande que jamais auparavant.

Le chercheur a analysé des données correspondant à une luminosité intégrée de 7,33 femtobarns inverses, collectées à des énergies de collision comprises entre 4,128 et 4,226 GeV. Pour trouver les désintégrations rares qu'il recherchait, il a utilisé une technique ingénieuse appelée méthode du « double marquage » (double-tag). Dans son expérience, des électrons et des positrons entrent en collision pour créer des paires de mésons $D_s^+$ se déplaçant dans des directions opposées. Le chercheur a reconstruit entièrement l'un des mésons de la paire, en identifiant précisément comment il s'est désintégré. Cet acte d'identification de la moitié de la paire est appelé « marquage » (tagging). Comme les deux mésons sont créés ensemble, connaître les propriétés du premier permet au scientifique de déduire l'existence et les propriétés du second, même s'il ne peut pas voir chaque particule qu'il produit. En examinant les débris restants du second méson, il a pu compter combien de fois celui-ci produisait une particule $\eta$ ou $\eta'$ , quel que soit le reste de particules créées à ses côtés.

Les résultats de cet exercice de comptage sont précis. Le chercheur a trouvé que le méson $D_s^+$ se désintègre en une particule $\eta$ plus d'autres débris environ 30,72 % du temps. Pour la particule $\eta'$ , le taux est de 12,30 %. Ces chiffres s'accompagnent de marges d'erreur très faibles, représentant une amélioration significative de la précision par rapport aux mesures précédentes effectuées par d'autres expériences. Les nouvelles données sont cohérentes avec les découvertes antérieures, confirmant que le schéma de base de ces désintégrations est correct, mais les barres d'erreur beaucoup plus serrées permettent un test plus rigoureux de la physique sous-jacente.

Lorsque le chercheur a additionné tous les modes spécifiques connus de désintégration du $D_s^+$ en une particule $\eta$ , il a trouvé un total d'environ 25,40 %. Sa nouvelle mesure du taux total, soit 30,72 %, est supérieure à cette somme. Cette différence suggère qu'il existe probablement d'autres modes de désintégration non observés du méson $D_s^+$ en une particule $\eta$ qui n'ont pas encore été identifiés. L'écart est faible mais statistiquement significatif, laissant présager des modes de désintégration cachés que les expériences futures devront peut-être traquer. En revanche, lorsqu'il a effectué le même calcul pour la particule $\eta'$ , les modes de désintégration connus s'additionnaient à 11,97 %, ce qui est presque identique à sa nouvelle mesure de 12,30 %. Cet accord suggère que, pour l' $\eta'$ , les scientifiques ont probablement déjà trouvé presque toutes les façons dont cette particule apparaît dans les désintégrations de $D_s^+$ .

Ces découvertes servent de référence vitale pour le domaine plus large de la physique des particules. Les mesures précises de la fréquence à laquelle les particules se désintègrent sont essentielles pour calibrer les expériences qui étudient des particules plus lourdes, telles que celles contenant des quarks bottom. En fournissant ces nombres précis, la collaboration BESIII aide à réduire les incertitudes dans d'autres domaines de la recherche. L'étude confirme que, si les voies de désintégration connues pour l' $\eta'$ sont bien comprises, l'histoire de l' $\eta$ n'est pas encore terminée. Le petit écart, mais notable, dans les chiffres pointe vers une frontière de découverte, invitant à de plus amples investigations sur les comportements invisibles du monde subatomique.

Résumé technique : Mesures des fractions de branchement inclusives des désintégrations $D^+_s \to \eta(\eta')X$

Problème et motivation
Le méson $D^+_s$ est l'état fondamental des mésons charmés-étranges, et des mesures précises de ses fractions de branchement (BF) sont cruciales pour comprendre la dynamique de désintégration et pour normaliser les désintégrations de $B$ et $B_s$ . Cependant, la somme des BF exclusives de $D^+_s$ actuellement mesurées ne représente qu'environ 85,7 % du total, laissant une fraction significative de modes de désintégration non observés. Bien que les transitions favorisées par le Cabibbo vers des états finaux contenant des mésons $\eta$ et $\eta'$ soient connues pour dominer les désintégrations de $D^+_s$ , les mesures inclusives existantes de CLEO et des collaborations antérieures de BESIII souffrent d'incertitudes statistiques substantielles. Plus précisément, les sommes inclusives précédentes pour les modes contenant $\eta$ ou $\eta'$ présentaient des écarts avec la somme des modes exclusifs connus, ce qui motive une mesure inclusive de haute précision pour résoudre ces incertitudes et contraindre le budget total des fractions de branchement.

Méthodologie
Cette analyse utilise les données de collisions $e^+e^-$ collectées par le détecteur BESIII à des énergies de centre de masse comprises entre 4,128 et 4,2 own 226 GeV, correspondant à une luminosité intégrée de 7,33 fb $^{-1}$ . L'étude emploie la méthode du double marquage (DT - double-tag), en exploitant le processus $e^+e^- \to D^{*\pm}_s D^{\mp}_s$ , dont la section efficace est environ vingt fois plus grande que celle du processus $D^+_s D^-_s$ dans cette gamme d'énergie.

Marquage (Tagging) : Les mésons hadroniques $D^-_s$ (le côté « tag ») sont entièrement reconstruits via quatre canaux de désintégration spécifiques : $K^0_S K^-$ , $K^+K^-\pi^-$ , $K^+K^-\pi^-\pi^0$ et $K^0_S K^+\pi^-\pi^-$ . Les événements où un tag est trouvé sont des événements à « marquage simple » (ST - single-tag).
Identification du signal : Les candidats de signal ( $D^+_s \to \eta X$ ou $D^+_s \to \eta' X$ ) sont identifiés sur le côté de recul en analysant les traces chargées et les particules neutres restantes qui n'ont pas été utilisées dans la reconstruction du tag.
Extraction des rendements :
- Les rendements ST sont déterminés par ajustement des distributions de masse reconstruite ( $M_{tag}$ ).
- Les rendements DT sont extraits à l'aide d'un ajustement en deux dimensions (2D) de la masse du signal ( $M_\eta$ ou $M_{\eta'}$ ) par rapport à $M_{tag}$ . Cette approche distingue les événements de signal de trois types de composantes de fond : celles présentant un pic dans la masse du signal mais plates dans la masse du tag, celles présentant un pic dans la masse du tag mais plates dans la masse du signal, et les fonds sans pic.
Efficacité et simulation : Des simulations de Monte Carlo (MC) basées sur GEANT4 sont utilisées pour déterminer les efficacités de détection et estimer les fonds. La simulation incorpore l'étalement de l'énergie du faisceau, le rayonnement initial (via KKMC) et les désintégrations de particules (via EVTGEN).

Résultats clés
Les fractions de branchement inclusives sont calculées en utilisant le rapport des rendements DT au produit des rendements ST et des efficacés, normalisé par les BF connues des modes de marquage et des désintégrations intermédiaires de $\eta$ et $\eta'$ . Les valeurs mesurées sont :

$B(D^+_s \to \eta X)$ : $(30,72 \pm 0,90 \text{ (stat)} \pm 0,46 \text{ (syst)})\%$
$B(D^+_s \to \eta' X)$ : $(12,30 \pm 0,94 \text{ (stat)} \pm 0,37 \text{ (syst)})\%$

Ces résultats sont cohérents avec les mesures antérieures de CLEO mais représentent une amélioration significative de la précision, les incertitudes étant réduites par des facteurs de 2,8 pour le mode $\eta$ et de 1,9 pour le mode $\eta'$ .

Signification et affirmations
L'article affirme que ces mesures précises servent d'entrées essentielles pour normaliser les désintégrations de $B$ et $B_s$ , contraindre les incertitudes systématiques et améliorer la modélisation du fond dans les futures études de physique des saveurs lourdes.

En comparant les BF inclusives mesurées avec les sommes des BF exclusives connues listées dans les tables du Particle Data Group (PDG), l'auteur rapporte :

Pour les modes $\eta$ : une différence de $(5,33 \pm 1,04)\%$ , suggérant l'existence de possibles modes de désintégration de $D^+_s$ non observés impliquant un méson $\eta$ .
Pour les modes $\eta'$ : une différence de $(0,33 \pm 1,03)\%$ , indiquant aucun excès significatif par rapport à la somme des modes exclusifs connus.

Ces découvertes aident à contraindre les fractions de branchement totales de toutes les désintégrations non observées dans le secteur exclusif $D^+_s \to \eta(\eta')X$ , contribuant à une compréhension plus complète de la dynamique de désintégration de $D^+_s$ .

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