Measurement of electromagnetic transition form factors in two-photon collisions at BESIII

L'univers est maintenu par des forces qui ne sont pas toujours visibles, et l'un des mystères les plus persistants de la physique moderne concerne une particule minuscule appelée le muon. Cette particule est une cousine plus lourde de l'électron, et elle possède une propriété magnétique qui la fait osciller lorsqu'elle tourne sur elle-même. Les scientifiques ont calculé exactement l'ampleur de cette oscillation en se basant sur le Modèle Standard, la meilleure théorie dont nous disposons pour comprendre comment l'univers fonctionne. Cependant, lorsqu'ils mesurent cette oscillation dans le monde réel, le résultat est différent. Cet écart entre la prédiction et la réalité est le signe que quelque chose manque à notre compréhension, peut-être une nouvelle force de la nature ou une faille dans la manière dont nous calculons le comportement de la force nucléaire forte à basse énergie. Pour résoudre ce casse-tête, les physiciens doivent affiner leurs calculs sur la façon dont les particules interagissent, en examinant spécifiquement la manière dont la lumière et la matière entrent en collision de façons difficiles à prédire avec les mathématiques actuelles.

Pour obtenir une image plus claire, les chercheurs ont besoin de données précises sur la manière dont certaines particules réagissent lorsqu'elles sont frappées par deux faisceaux de lumière simultanément. Ce processus, connu sous le nom de fusion de deux photons, est la clé pour comprendre la diffusion « lumière-par-lumière hadronique » qui contribue à l'oscillation magnétique du muon. Les modèles théoriques peinent à décrire cette interaction aux niveaux d'énergie où les effets les plus importants se produisent. Par conséquent, les scientifiques doivent se tourner vers des expériences capables d'observer directement ces collisions. L'expérience BESIII, située à Pékin, en Chine, opère à un niveau d'énergie qui la rend parfaitement adaptée pour observer ces événements rares. En faisant entrer en collision des électrons et des positrons, la machine crée une gerbe de particules, incluant des pions neutres et d'autres états éphémères, permettant ainsi aux physiciens de mesurer comment ces particules se forment lorsqu'elles sont frappées par deux photons.

Dans ce dernier travail, la collaboration BESIII a utilisé une vaste collection de données de collision pour mesurer les facteurs de forme de transition électromagnétique de plusieurs particules légères. Un facteur de forme de transition est essentiellement une carte qui montre comment la structure interne d'une particule change lorsqu'elle est frappée par un photon d'une énergie spécifique. L'équipe s'est d'abord concentrée sur le pion neutre, une particule fondamentale composée d'un quark et d'un antiquark. En utilisant 2,93 fb⁻¹ de données de collision, ils ont mesuré la réponse du pion à un seul photon virtuel — un photon qui n'existe que pendant un instant fugace lors de la collision — sur une gamme de basses énergies. Le résultat fut une mesure hautement précise qui comble une lacune laissée par les expériences précédentes. Comparées aux théories existantes, ces nouvelles données constituent un test rigoureux, aidant à distinguer les différents modèles mathématiques qui tentent de décrire la force forte. Les mesures concordent bien avec certaines prédictions théoriques tout en en écartant d'autres, offrant une voie plus claire pour calculer le moment magnétique du muon.

Au-delà du pion unique, les chercheurs ont également étudié ce qui se passe lorsque deux photons entrent en collision pour produire une paire de pions neutres. Ce processus est plus complexe car il implique des états intermédiaires, ou résonances temporaires, qui agissent comme des tremplins entre la collision initiale et les particules finales. L'équipe a analysé les données pour isoler les contributions de particules spécifiques, notamment les mésons scalaires connus sous les noms de f0(500) et f0(980), ainsi que le méson tensoriel f2(1270). En triant soigneusement les données en fonction de l'énergie de la collision et de l'angle sous lequel les particules émergent, ils ont pu isoler les signaux de ces états de courte durée. Cela leur a permis d'extraire les facteurs de forme de transition de ces particules, fournissant la toute première mesure du TFF de la f0(500), ainsi que les déterminations les plus précises et aux énergies les plus basses pour les TFF de la f0(980) et de la f2(1270). Les données ont révélé la structure interne de ces particules avec une précision qui n'avait jamais été atteinte auparavant, montrant comment elles interagissent avec la lumière à basse énergie.

La portée de ces découvertes dépasse la simple catalogage des propriétés des particules. Les nouvelles mesures fournissent l'apport expérimental critique nécessaire pour affiner les prédictions théoriques du moment magnétique anomal du muon. En réduisant l'incertitude de la contribution de la diffusion lumière-par-lumière hadronique, ce travail aide à déterminer si l'écart entre la théorie et l'expérience est dû à une nouvelle physique ou simplement à une limitation de nos modèles actuels. L'équipe de BESIII a démontré qu'avec de grands ensembles de données et une analyse minutieuse, il est possible de sonder les rouages internes de ces particules avec une précision sans précédent. À l'avenir, l'expérience prévoit d'utiliser des ensembles de données encore plus vastes pour mesurer les facteurs de forme d'autres particules, y compris la f1(1285), qui devrait être encore plus importante pour résoudre le mystère du muon. Ces efforts représentent une étape constante et méthodique vers la résolution de l'une des questions les plus intrigantes de la physique des particules, rapprochant la communauté scientifique de la compréhension des forces fondamentales qui façonnent notre univers.