Branching fraction measurement of the decay at high dihadron mass
En utilisant 8,4 fb⁻¹ de données de collisions proton-proton collectées par le détecteur LHCb, cette étude rapporte la première mesure différentielle de la fraction de branchement de la désintégration à travers le spectre de masse entre 1000 et 1835 MeV/c², incluant la première observation de cette désintégration au-dessus de la résonance dans cette région.
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Dans le monde subatomique, la nature suit un ensemble strict de règles connues sous le nom de Modèle Standard, une théorie qui a prédit avec succès le comportement des particules pendant des décennies. Cependant, les physiciens soupçonnent depuis longtemps que ce livre de règles est incomplet, qu'il lui manque un chapitre qui pourrait expliquer les mystères plus profonds de l'univers. Pour trouver ces pièces manquantes, les scientifiques cherchent des moments où la nature semble enfreindre ses propres lois. L'un des endroits les plus prometteurs pour chercher est la désintégration de particules lourdes appelées mésons B. Ces particules instables, créées lors de collisions à haute énergie, finissent par se briser en particules plus légères. Parfois, elles se transforment d'une manière qui est théoriquement possible mais incroyablement rare : un quark bottom lourd à l'intérieur du méson B se transforme en un quark strange plus léger, émettant une paire de muons (des cousins lourds des électrons) au passage. Cette transformation spécifique est si rare dans le Modèle Standard que même un infime écart par rapport au taux prédit pourrait signaler la présence de forces ou de particules nouvelles et encore non découvertes.
Pendant des années, des chercheurs ont mesuré ces désintégrations rares, et un motif est apparu. Dans plusieurs expériences différentes, la fréquence de ces événements et les angles sous lesquels les particules s'éloignent ont montré une discordance cohérente et déroutante avec les prédictions du Modèle Standard. Cette divergence suggère que les valeurs mathématiques régissant la force de ces interactions pourraient être différentes de ce que nous pensions. Pour résoudre cette énigme, les scientifiques doivent mesurer ces désintégrations avec une précision extrême à travers une large gamme de conditions, en cherchant l'endroit où la théorie pourrait échouer. La collaboration LHCb à CERN a été à l'avant-garde de cet effort, utilisant le Grand Collisionneur de Hadrons pour fracasser des protons ensemble et créer les particules lourdes nécessaires à ces études.
Dans une étude récente, l'équipe LHCb s'est concentrée sur un type spécifique de désintégration où un méson B neutre se décompose en une paire de muons et une paire de particules chargées : un kaon positif et un pion négatif. Alors que des études précédentes avaient examiné cette désintégration lorsque le kaon et le pion se déplaçaient lentement l'un par rapport à l'autre, ce nouveau travail a étendu la recherche vers une région de plus haute énergie. Les chercheurs ont analysé des données collectées entre 2011 et 2018, correspondant à une quantité massive d'événements de collision. Ils ont spécifiquement observé la masse de la paire kaon-pion, une mesure qui nous indique quelle énergie est liée à leur mouvement et à leur interaction. L'équipe s'est concentrée sur la plage où cette masse se situe entre 1000 et 1835 unités de masse-énergie, une région qui n'avait pas été explorée de manière approfondie pour ce mode de désintégration spécifique auparavant.
L'analyse nécessitait de passer au crible des milliards d'événements de collision pour trouver la poignée de cas correspondant à la signature de cette désintégration rare. L'équipe a utilisé des algorithmes informatiques sophistiqués pour filtrer le bruit de fond, qui consiste en d'autres interactions de particules pouvant imiter le signal. Une fois qu'ils ont isolé les événements authentiques, ils ont mesuré la fréquence à laquelle la désintégration se produit à travers différents niveaux d'énergie. Les résultats étaient clairs : la désintégration a été observée pour la première fois dans cette région spécifique de haute masse, et l'équipe a réussi à mesurer le taux auquel elle se produit. Ils ont trouvé que la désintégration se produit avec une fréquence qui peut être quantifiée avec précision, fournissant un nouveau point de donnée qui aide à cartographier le comportement de ces particules.
Crucialement, les chercheurs ont également observé la désintégration dans des régions où l'énergie de la paire de muons est très élevée, bien au-dessus de l'énergie d'une particule célèbre appelée J/psi. Dans ces zones de haute énergie, la désintégration n'avait jamais été vue auparavant. L'équipe a confirmé l'existence de la désintégration dans ces régions et a mesuré son taux, trouvant qu'elle diminue à mesure que l'énergie augmente, un comportement qui s'aligne avec les limites attendues de l'espace disponible pour le mouvement des particules. Cette mesure est significative car elle complète le tableau de cette désintégration à travers une large gamme d'énergies. En combinant ces nouveaux résultats avec des mesures antérieures provenant d'énergies plus basses, les scientifiques disposent désormais d'une vue complète de la manière dont cette désintégration se comporte, du début à la fin.
Les conclusions ne prouvent pas encore que le Modèle Standard est erroné, mais elles fournissent un outil beaucoup plus aiguisé pour le tester. Les nouvelles données permettent aux théoriciens de comparer leurs prédictions à la réalité avec une plus grande précision, particulièrement dans les régions de haute énergie où les effets d'une nouvelle physique pourraient être plus subtils. L'étude aide également à affiner la compréhension des interactions complexes entre les particules impliquées, lesquelles sont nécessaires pour faire des prédictions précises. En comblant ces lacunes dans les données, la collaboration LHCb a donné à la communauté scientifique une carte plus complète de ce processus rare, nous rapprochant un peu plus de la compréhension de savoir si l'univers détient des secrets au-delà de nos théories actuelles.
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