Observation of a Threshold Enhancement in the Mass Spectrum in Decays
En utilisant un large échantillon d'événements collectés par le détecteur BESIII, cette étude confirme une augmentation significative du seuil dans le spectre de masse avec une signification de plus de 10 et démontre que le modèle de l'expansion multipolaire de la QCD fournit une description supérieure du spectre complet par rapport à la théorie de la perturbation chirale.
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Dans le monde subatomique, la matière est construite à partir d'une poignée de particules fondamentales qui interagissent par des forces bien plus complexes que la gravité ou le magnétisme. Parmi celles-ci, la force forte maintient les noyaux des atomes ensemble, liant les quarks pour former des protons et des neutrons. Cette force est décrite par une théorie appelée chromodynamique quantique, ou QCD. Bien que la théorie fonctionne parfaitement lors de collisions à haute énergie, elle devient incroyablement difficile à calculer lorsque les particules se déplacent lentement et interagissent à de basses énergies. Dans ce régime de « ralenti », les mathématiques de la théorie sont si emmêlées que les physiciens ne peuvent souvent pas prédire exactement ce qui se passera lors de collisions ou de désintégrations de particules. Au lieu de cela, ils doivent construire de massifs accélérateurs de particules pour fracasser des particules les unes contre les autres, observer ce qui en ressort, et utiliser ces observations pour tester leurs théories. L'un des moyens les plus prometteurs d'étudier ces interactions à basse énergie est d'observer des particules lourdes composées de quarks de charme se transformant en particules plus légères. Lorsqu'une particule lourde de charme se désintègre en une particule plus légère, elle libère souvent de l'énergie en créant une paire de pions, qui sont les particules les plus légères composées de quarks. En étudiant comment ces pions sont créés et comment ils interagissent entre eux immédiatement après leur naissance, les scientifiques peuvent sonder les règles les plus profondes de la force forte.
Une équipe de chercheurs utilisant le détecteur BESIII au collisionneur électron-positron de Pékin a maintenant examiné de plus près une telle transformation. Ils ont observé la désintégration d'une particule lourde appelée en une particule plus légère appelée et deux pions neutres. Les pions neutres sont des particules à vie courte qui se désintègrent presque instantanément en paires de photons, qui sont des particules de lumière. Les chercheurs ont collecté des données provenant de plus de 2,7 milliards de ces événements de particules lourdes, isolant un échantillon spécifique de plus de 8 millions de désintégrations où les produits finaux correspondaient à leurs critères. Lorsqu'ils ont tracé la masse des deux pions neutres par rapport au nombre de fois que cette masse apparaissait, ils ont trouvé une caractéristique frappante : un pic étroit et net précisément à la masse la plus basse possible où deux pions peuvent exister. Ce pic, connu sous le nom d'accentuation de seuil (threshold enhancement), indique que les deux pions interagissent de manière résonante très spécifique au moment de leur naissance. La certitude statistique de cette observation est écrasante, dépassant dix écarts-types, ce qui, dans le langage de la physique des particules, signifie que le résultat est virtuellement certain d'être un phénomène physique réel et non une fluctuation aléatoire dans les données.
Les chercheurs ont mesuré les propriétés de ce pic avec une grande précision. Ils ont trouvé que la masse de la structure est d'environ 2 74,3 MeV/c² et sa largeur, qui est liée à la durée de sa vie avant de se désintégrer, est d'environ 17,1 MeV. Ces chiffres correspondent presque parfaitement à un pic similaire observé précédemment dans un canal de désintégration différent impliquant des pions chargés. Cet accord est significatif car le canal des pions neutres est plus « propre » ; il n'est pas compliqué par les mêmes effets de fond qui obscurcissent les données des pions chargés. Le fait que la même structure apparaisse dans les deux canaux confirme qu'il s'agit d'une caractéristique fondamentale de la façon dont les pions interagissent, plutôt que d'un artefact d'une configuration expérimentale spécifique. L'existence de ce pic remet en question les modèles plus anciens et plus simples de désintégration de particules qui prédisaient une distribution de masses lisse et graduelle. Au lieu de cela, les données montrent un sursaut soudain et intense d'activité juste à la ligne de départ de l'existence de la paire de pions.
Pour comprendre pourquoi ce pic apparaît, l'équipe a testé deux cadres théoriques différents. La première approche, connue sous le nom de théorie de la perturbation chirale, est une méthode mathématique qui fonctionne bien pour décrire les interactions de particules à des énergies plus élevées. Cependant, lorsque les chercheurs ont appliqué ce modèle à leurs données, celui-ci a totalement échoué à reproduire le pic net au seuil de faible masse. Le modèle pouvait décrire le reste des données de manière raisonnable, mais il a manqué entièrement la caractéristique la plus importante. La seconde approche, qui repose sur une autre méthode appelée expansion multipolaire de la QCD, traitait la particule lourde comme un mélange de deux états internes différents. Lorsque ce modèle a été combiné avec un calcul de la façon dont les pions interagissent entre eux après leur création, il a réussi à reproduire l'ensemble de la forme des données, y compris le pic net. Cela suggère que la particule lourde n'est pas un état simple et unique, mais un mélange complexe, et que l'interaction entre les nouveaux pions créés joue un rôle crucial dans la détermination du résultat.
L'étude a également révélé un creux dans les données juste au-dessus du pic, là où le nombre d'événements chute presque à zéro avant de remonter. Ce creux est la signature d'une règle fondamentale de la physique des particules connue sous le nom de zéro d'Adler, qui est une conséquence de la façon dont les pions sont liés à la rupture de symétrie dans la force forte. Le fait que ce creux apparaisse clairement dans les données des pions neutres fournit une preuve solide que les pions se comportent exactement comme la théorie de la rupture de symétrie le prédit. En confirmant l'existence de l'accentuation de seuil et du creux qui l'accompagne, les chercheurs ont fourni une vérification robuste et indépendante d'un phénomène qui n'avait été observé auparavant que dans les particules chargées. Les résultats offrent une image plus claire du fonctionnement de la force forte à basses énergies et démontrent que l'interaction complexe entre la structure interne des particules lourdes et les interactions de leurs produits de désintégration est essentielle pour comprendre le monde subatomique. Les conclusions ne font pas que confirmer une prédiction ; elles écartent les explications plus simples et pointent vers une réalité plus nuancée où le mélange des états de particules et les interactions immédiates de leurs produits de désintégration sont inextricablement liés.
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