Inclusive weak decays of the $J/\psi$: single-charm decay and weak annihilation

Le monde subatomique est peuplé de particules bien trop petites pour être vues, pourtant elles suivent des règles d'interaction strictes qui régissent la façon dont la matière se construit et se transforme. Parmi ces particules se trouvent les quarks, les briques fondamentales qui s'assemblent pour former des particules plus larges comme les protons et les neutrons. Parfois, des quarks de types différents s'associent pour créer des particules lourdes à vie courte appelées quarkonia. L'une des plus célèbres est le J/psi, une particule composée d'un quark charm et de son jumeau antimatérielle, l'anticharm. Depuis des décennies, les physiciens savent que le J/psi est une particule agitée qui se désintègre généralement en libérant son énergie par les forces forte ou électromagnétique, des processus qui se produisent presque instantanément. Cependant, il existe une possibilité beaucoup plus rare : la force faible, responsable de la désintégration radioactive, peut également provoquer la désintégration du J/psi. Comme cette désintégration faible est incroyablement rare par rapport aux autres manières dont la particule disparaît, il a été difficile de prédire exactement à quelle fréquence elle se produit ou de la surprendre en flagrant délit. Comprendre ce processus est important car cela teste nos théories fondamentales sur la façon dont les quarks se comportent lorsqu'ils sont liés ensemble, offrant un aperçu de l'interaction subtile entre les forces qui maintiennent la matière ensemble et les forces qui la brisent.

Pendant longtemps, la méthode standard pour estimer la fréquence à laquelle le J/psi se désintègre via la force faible consistait à traiter ses deux quarks internes comme s'ils étaient des passagers indépendants dans une voiture, chacun attendant de sortir de son côté. Dans cette vieille vision, le quark charm se désintégrerait seul, et l'anticharm ferait de même, le taux total étant simplement la somme de ces deux événements séparés. Cette approche suggérait que le J/psi se désintégrerait faiblement environ une fois sur cent millions de tentatives. Cette image simple ignore le fait que les deux quarks sont étroitement liés et peuvent interagir directement entre eux. Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Institut d'études avancées de Hangzhou remet en question cette ancienne estimation en considérant le J/psi non pas comme deux parties séparées, mais comme un système unique et unifié où les quarks peuvent s'annihiler l'un l'autre. En utilisant un outil mathématique sophistiqué connu sous le nom de théorème optique, qui permet aux physiciens de calculer le taux total de tous les résultats de désintégration possibles à la fois, l'équipe a construit une image beaucoup plus complète de ce qui se passe à l'intérieur de la particule.

Les chercheurs ont découvert que l'ancienne méthode consistant à additionner les désintégrations indépendantes manque la partie la plus significative de l'histoire. En réalité, le charm et l'anticharm peuvent se rencontrer et se détruire mutuellement, un processus appelé annihilation de paire, ce qui ouvre un vaste nombre de nouvelles façons pour la particule de disparaître. Cette annihilation n'est pas un événement unique mais une interaction complexe impliquant différents types de porteurs de force. L'étude révèle que la manière dominante dont le J/psi se désintègre faiblement est en fait par cette annihilation, spécifiquement par un mécanisme impliquant le courant neutre, où les quarks échangent un boson Z, une particule lourde qui transporte la force faible mais ne change pas la charge électrique des particules impliquées. Cette contribution du courant neutre est si grande qu'elle éclipse la simple désintégration des quarks individuels. De plus, les chercheurs ont calculé comment les différentes manières dont les quarks interagissent interfèrent les unes avec les autres, trouvant que l'interaction entre les forces chargées et neutres crée un équilibre délicat qui est hautement sensible à l'échelle d'énergie à laquelle le calcul est effectué.

Lorsque l'équipe a combiné tous ces effets — les désintégrations indépendantes, l'annihilation et l'interférence entre elles — elle est arrivée à une nouvelle prédiction de la fréquence à laquelle le J/psi devrait se désintégrer faiblement. Leur calcul suggère que la fraction de branchement, qui est la probabilité que cette désintégration spécifique se produise par rapport à toutes les autres manières dont la particule peut se désintégrer, est d'environ 7,96 fois dix à la puissance moins huit. Ce nombre est légèrement supérieur à l'ancienne estimation de 1 x 10⁻⁸, mais plus important encore, il montre que le processus d'annihilation représente environ 77 % du taux total de désintégration faible. Cela signifie que l'ancienne méthode, qui ne regardait que les quarks se désintégrant séparément, manquait la vaste majorité de l'action. L'étude a également détaillé les résultats par types de particules produites, montrant que le résultat le plus courant implique la création de particules sans aucun quark charm, un résultat direct du processus d'annihilation.

Les chercheurs ont pris soin de quantifier leur degré de certitude concernant ces chiffres. Ils ont identifié deux sources principales d'incertitude. La première provient des approximations mathématiques utilisées dans le calcul, qu'ils ont estimées en faisant varier l'échelle d'énergie de leur modèle. Cette variation a produit une plage où la valeur réelle se situe probablement, la limite supérieure étant nettement plus élevée que la valeur centrale en raison de la nature sensible de l'interférence entre les forces. La seconde source d'incertitude provient de la structure interne complexe du J/psi lui-même, qui est difficile à calculer avec précision. En faisant varier les données relatives au mouvement interne et à l'énergie de liaison de la particule, ils ont trouvé une seconde marge d'erreur. Même avec ces incertitudes, la conclusion reste robuste : la désintégration faible du J/psi est dominée par l'annihilation de sa paire de quarks, et non par la désintégration indépendante de ses composants.

Ce travail fournit une cible théorique cruciale pour les expérimentateurs qui recherchent ces désintégrations rares. Des expériences dans des installations telles que le détecteur BESIII ont déjà collecté des milliards de particules J/psi, cherchant des signes de ces désintégrations faibles, mais n'ont jusqu'à présent pu établir que des limites supérieures sur la fréquence à laquelle elles se produisent. La nouvelle prédiction suggère que ces événements rares se produisent à un taux qui est à la portée des expériences actuelles et futures. Si les expérimentateurs parviennent à observer la désintégration au taux prédit par ce nouveau calcul, cela confirmera que notre compréhension de la façon dont les quarks lourds interagissent et s'annihilent est correcte. S'ils trouvent un taux différent, cela pourrait signaler l'existence de forces ou de particules nouvelles et inconnues. Pour l'instant, l'étude se présente comme une carte détaillée d'un coin caché du monde subatomique, montrant que même dans une particule aussi bien étudiée que le J/psi, il reste des interactions profondes en attente d'être pleinement comprises. Les chercheurs soulignent que si leur calcul est une étape majeure, il n'est pas le dernier mot ; des travaux futurs devront inclure des corrections plus précises et un examen plus approfondi de la structure interne de la particule pour affiner davantage ces chiffres.