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Observation of the Ξb−→Ξ−μ+μ−{\Xi_b^-\to \Xi^-\mu^+\mu^-} and study of the Ξb−→Ξ−ψ(2S){\Xi_b^-\to\Xi^-\psi(2S)} decays

En utilisant les données de collisions proton-proton de l'LHCb, cet article rapporte la première observation de la désintégration rare Ξb−→Ξ−μ+μ−\Xi_b^-\to\Xi^-\mu^+\mu^- avec un rapport de branchement mesuré de (118±24±7±38)×10−8(118 \pm 24 \pm 7 \pm 38) \times 10^{-8} et fournit une nouvelle mesure du rapport de branchement entre Ξb−→Ξ−ψ(2S)\Xi_b^-\to\Xi^-\psi(2S) et Ξb−→Ξ−J/ψ\Xi_b^-\to\Xi^-J/\psi.

Auteurs originaux : LHCb collaboration, R. Aaij, M. Abdelfatah, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson, C. Agapopoulou, C. A. Aidala, S.
Publié 2026-10-19
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Auteurs originaux : LHCb collaboration, R. Aaij, M. Abdelfatah, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson, C. Agapopoulou, C. A. Aidala, S. Akar, K. Akiba, H. Al Saleh, P. Albicocco, J. Albrecht, R. Aleksiejunas, F. Alessio, P. Alvarez Cartelle, A. A. Alves Jr, S. Amato, J. L. Amey, Y. Amhis, Z. Amos, L. An, L. Anderlini, P. Andreola, M. Andreotti, S. Andres Estrada, A. Anelli, D. Ao, C. Arata, F. Archilli, Z. Areg, M. Argenton, S. Arguedas Cuendis, L. Arnone, M. Artuso, E. Aslanides, R. Ataíde Da Silva, M. Atzeni, B. Audurier, J. A. Authier, D. Bacher, I. Bachiller Perea, S. Bachmann, M. Bachmayer, J. J. Back, M. Bai, Z. B. Bai, V. Balagura, A. Balboni, W. Baldini, Z. Baldwin, L. Balzani, H. Bao, J. Baptista de Souza Leite, C. Barbero Pretel, I. R. Barbosa, W. Barker, R. J. Barlow, M. Barnyakov, S. Baron, S. Barsuk, W. Barter, J. Bartz, S. Bashir, B. Batsukh, P. B. Battista, A. Bavarchee, A. Bay, A. 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Dans le monde subatomique, la nature suit un ensemble de règles strictes connues sous le nom de Modèle Standard. Ce cadre explique comment les plus petits blocs de construction de l'univers interagissent, mais il contient également de rares failles. L'une de ces failles implique un type spécifique de transformation où une particule lourde appelée quark bottom se transforme en un quark strange plus léger. Selon le Modèle Standard, ce changement est incroyablement difficile à réaliser ; il ne peut se produire que par des voies indirectes complexes qui suppriment l'événement, ce qui en fait une occurrence très rare. Parce que ces événements sont si rares, ils agissent comme un test sensible des lois de la physique. Si l'univers se comporte légèrement différemment de ce que prédit le Modèle Standard lors de ces moments rares, cela pourrait être le signe de forces ou de particules nouvelles et encore non découvertes, cachées dans l'ombre.

Pendant des décennies, les scientifiques ont concentré leur recherche de ces événements rares sur des particules appelées mésons, qui sont composées de deux quarks. Cependant, il existe une autre famille de particules appelées baryons, qui sont composées de trois quarks. Ces baryons offrent une perspective différente car ils tournent (spin), ajoutant une couche de complexité que les mésons n'ont pas. Jusqu'à présent, la plupart des recherches sur ces transformations rares dans les baryons avaient été limitées à un seul type, laissant une lacune dans notre compréhension de la manière dont ces règles s'appliquent aux particules plus lourdes et plus complexes. L'expérience LHCb au CERN, un détecteur massif conçu pour étudier les particules contenant des quarks lourds, a maintenant porté son attention sur un baryon plus lourd connu sous le nom de Ξb−\Xi_b^-. Cette particule est beaucoup plus rare à produire que celles étudiées précédemment, ce qui fait de la recherche de ses désintégrations rares un défi significsignificant.

Une équipe de chercheurs utilisant le détecteur LHCb a observé avec succès une désintégration rare du baryon Ξb−\Xi_b^- pour la première fois. Dans ce processus, le baryon lourd se transforme en une particule plus légère appelée Ξ−\Xi^- et une paire de muons, qui sont des cousins plus lourds de l'électron. Cet événement est piloté par la rare transition d'un quark bottom en un quark strange. Pour trouver ce signal, l'équipe a analysé une vaste quantité de données collectées à partir de collisions proton-proton au Grand Collisionneur de Hadrons sur plusieurs années. Ils ont recherché une signature spécifique : une cascade de désintégrations où le baryon lourd se divise d'abord en un Ξ−\Xi^- et deux muons, puis le Ξ−\Xi^- lui-même se désintègre en une particule lambda et un pion, le lambda se désintégrant ensuite en un proton et un autre pion. Cette chaîne unique d'événements crée un chemin distinct à travers le détecteur qui est très difficile à imiter par le bruit de fond.

Les chercheurs ont trouvé des preuves claires de cette désintégration, observant un signal statistiquement assez significatif pour être considéré comme une découverte. Ils ont compté le nombre de fois où cet événement s'est produit et l'ont comparé à une désintégration similaire plus commune, où le Ξb−\Xi_b^- se transforme en un Ξ−\Xi^- et une particule J/psi, un état bien connu composé d'un quark charm et de son antiparticule. En utilisant cette désintégration commune comme point de référence, l'équipe a pu annuler de nombreuses incertitudes liées à la fréquence de production de ces particules et à la façon dont le détecteur les perçoit. Cette méthode leur a permis de mesurer la probabilité de l'événement rare avec une précision bien plus grande. Ils ont déterminé que la fraction de branchement, qui est la probabilité que cette désintégration spécifique se produise par rapport à toutes les autres manières possibles dont la particule peut se désintégrer, est d'environ 118×10−8118 \times 10^{-8}. Cela signifie que pour dix millions de désintégrations, cet événement rare se produit environ une fois, un taux qui est étonnamment élevé par rapport à d'autres processus rares similaires impliquant des baryons.

L'étude a également examiné comment cette désintégration se comporte à différents niveaux d'énergie, spécifiquement en examinant la masse des deux muons produits lors de l'événement. Les chercheurs ont divisé les données en trois plages distinctes de cette masse. Dans la plage d'énergie la plus élevée, ils ont trouvé un signal très fort, confirmant que la désintégration s'y produit fréquemment. Dans la plage intermédiaire, ils ont trouvé des preuves de la désintégration, bien qu'avec moins de certitude. Dans la plage d'énergie la plus basse, le signal était trop faible pour être confirmé, ils ont donc fixé une limite supérieure à la fréquence à laquelle elle pourrait se produire. Ces mesures ont été comparées à des prédictions faites par des modèles théoriques basés sur la chromodynamique quantique sur réseau, une méthode puissante pour calculer le comportement des quarks. Les résultats ont montré un bon accord avec ces prédictions, particulièrement dans la région de haute énergie, suggérant que la compréhension actuelle du Modèle Standard tient bon même pour ces particules lourdes et complexes.

En plus de la rare désintégration en paire de muons, l'équipe a également étudié un processus lié où le Ξb−\Xi_b^- se désintègre en un Ξ−\Xi^- et un cousin plus lourd du J/psi appelé ψ(2S)\psi(2S). Ils ont mesuré le rapport entre la fréquence de ce processus et celle de la désintégration J/psi plus commune. Ils ont trouvé que la désintégration ψ(2S)\psi(2S) se produit environ deux fois moins souvent que la désintégration J/psi. Ce résultat est cohérent avec les mesures effectuées sur d'autres types de baryons et aide les scientifiques à comprendre le rôle des interactions complexes qui se produisent lorsque ces particules se désintègrent. Le fait que la rare désintégration en paire de muons se produise à un taux comparable, ou même supérieur, à des désintégrations similaires dans des particules plus légères suggère que la masse élevée du Ξb−\Xi_b^- pourrait partiellement compenser son faible taux de production, rendant possible l'observation de ces événements évasifs.

Cette découverte ouvre un nouveau chapitre dans l'étude des baryons lourds. En confirmant que ces désintégrations rares se produisent et en mesurant leurs taux, les chercheurs ont fourni un nouveau point de référence pour tester le Modèle Standard. La capacité d'observer ces événements dans un système de baryons plus lourds, avec leurs propriétés de spin uniques, offre un moyen complémentaire de vérifier les écarts qui pourraient suggérer une nouvelle physique. À mesure que l'expérience LHCb continue de collecter davantage de données dans les années à venir, les scientifiques pourront étudier les motifs angulaires détaillés de ces désintégrations, dévoilant potentiellement des secrets encore plus profonds sur les forces fondamentales qui régissent l'univers. L'observation de la désintégration Ξb−→Ξ−μ+μ−\Xi_b^- \to \Xi^- \mu^+ \mu^- témoigne de la puissance de la mesure de précision dans la quête de compréhension des blocs de construction de la réalité.

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