Measurements of the branching fractions of \boldmath $χ_{cJ}\toΣ^0\barΣ^0η$

Au plus profond de la structure de l'univers, la matière est maintenue par une force si puissante qu'elle lie les cœurs mêmes des atomes. Cette force, connue sous le nom d'interaction forte, est régie par un ensemble de règles appelées chromodynamique quantique. Si les scientifiques ont maîtrisé la mathématique de cette force à haute énergie, le domaine des basses énergies demeure un paysage brumeux de mystères. Ici, les particules ne se comportent pas comme de simples billes de billard ; elles tourbillonnent et interagissent de manières complexes, difficiles à prédire. Pour cartographier ce territoire caché, les physiciens utilisent souvent des particules spéciales à courte durée de vie appelées états de charmonium. Ce sont comme de minuscules laboratoires lourds créés dans des accélérateurs de particules, où un quark charm et son partenaire d'antimatière, l'antiquark charm, orbitent l'un autour de l'autre. Lorsque ces paires se désintègrent, elles se brisent en d'autres particules, offrant un aperçu des règles qui régissent leur désintégration. En étudiant précisément comment ces paires lourdes se brisent, les chercheurs peuvent tester les limites de leur compréhension actuelle et chercher des fissures dans la théorie qui pourraient pointer vers une nouvelle physique.

Un chercheur utilisant le détecteur BESIII au collisionneur BEPCII à Pékin a récemment illuminé un coin auparavant sombre de ce paysage. Il a analysé une collection massive de données contenant plus de 2,7 milliards de collisions d'électrons et de positrons. De cet immense ensemble de données, il s'est concentré sur un type spécifique de particule lourde connu sous le nom de chi-c, qui se présente en trois variétés légèrement différentes distinguées par leur spin. Le chercheur recherchait un événement spécifique, rare : le moment où l'une de ces particules chi-c se désintègre en un trio d'autres particules — un baryon sigma neutre, son jumeau d'antimatière, et un méson êta neutre. Jusqu'à présent, cette désintégration spécifique n'avait jamais été vue, que ce soit dans des expériences ou dans des calculs théoriques. Le chercheur a reconstruit ces événements en traçant les débris laissés derrière eux, en recherchant spécifiquement un motif signature de protons, d'antiprotons, de pions et de cinq photons qui confirmerait la présence des particules souhaitées.

Après avoir passé au crible des milliards de collisions, le chercheur a rapporté les premières observations de cette désintégration pour les trois variétés de la particule chi-c, avec des significances statistiques respectives de 7,2σ, 5,7σ et 6,7σ. Bien que ces résultats soient assez solides pour revendiquer les premières observations, le chercheur a noté que la preuve pour un canal (5,7σ) est légèrement inférieure au seuil typique de 6σ souvent utilisé pour des observations définitives dans certains contextes. Il a mesuré la fréquence à laquelle cette désintégration se produit par rapport au nombre total de particules chi-c produites, déterminant la probabilité, ou fraction de branchement, pour chaque cas. Pour la première variété, la désintégration se produit environ 9,7 fois pour 100 000 particules chi-c. Pour la seconde, elle se produit environ 4,9 fois pour 100 000, et pour la troisième, environ 6,1 fois pour 100 000. Ces chiffres fournissent les premières données concrètes pour cette interaction spécifique, permettant aux physiciens de comparer comment les différents états de spin de la particule parente influencent le résultat.

Le chercheur a également examiné l'arrangement des particules lorsqu'elles s'envolent pour voir si elles formaient des structures intermédiaires temporaires, telles qu'un nouveau type de particule excitée. Il a examiné de près les combinaisons de masse des particules dans le groupe final, recherchant tout amas ou résonance inattendu qui signalerait un nouvel état de la matière. Les données n'ont montré aucune structure significative dans les distributions de masse des paires de particules sous les statistiques actuelles ; les particules semblent émerger directement de la désintégration sans former d'étapes intermédiaires. Cette absence de nouvelles structures est tout aussi importante que la découverte de la désintégration elle-même, car elle écarte certains modèles théoriques qui prédisaient l'existence de tels états intermédiaires. De plus, en comparant ces résultats avec des mesures précédentes de désintégrations similaires impliquant des particules chargées, le chercheur a constaté que les taux correspondaient aux attentes basées sur la symétrie de la nature connue sous le nom d'isospin. Cela suggère que la force forte traite ces différentes combinaisons de particules d'une main constante, renforçant le modèle standard de la physique des particules.

Les découvertes offrent également un indice subtil sur la mécanique interne de ces désintégrations. Lorsque le chercheur a comparé la force de la désintégration pour les différentes variétés de spin, il a remarqué que la première variété se comportait différemment des deux autres. Cette différence de comportement suggère que la première variété pourrait se mélanger avec un autre type de particule plus exotique prédit par la théorie, ou qu'elle se désintègre via un mécanisme unique. Bien que les données ne confirment pas exactement ce qui se passe, elles constituent une nouvelle pièce cruciale du puzzle. La découverte de ces désintégrations, ainsi que les mesures précises de leurs taux, donnent aux théoriciens un nouveau point de référence pour tester leurs modèles. Elle confirme que la force forte opère d'une manière qui permet à ces combinaisons spécifiques de se former, tout en rétrécissant simultanément la recherche des raisons profondes des différences dans la façon dont ces particules se brisent. À mesure que le domaine progresse, ces mesures serviront de fondation aux futures expériences visant à élucider les mystères restants de l'interaction forte.