Observation of the state in decays
En utilisant 9 fb de données de collisions proton-proton de l'LHCb, cette étude présente la première observation de l'état tétraquark dans le canal de désintégration avec une signification statistique dépassant , confirmant que les résonances existantes sont insuffisantes pour expliquer les données .
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Résumé technique : Observation de l'état dans les désintégrations
Problématique et motivation
La nature des hadrons exotiques, en particulier les états de type charmonium chargés avec un contenu de quarks minimal , constitue un banc d'essai critique pour la chromodynamique quantique (QCD) non perturbative. L'état (historiquement appelé ) a été rapporté pour la première fois par la collaboration Belle, puis confirmé par LHCb dans le canal de désintégration à charme caché . Bien que sa nature résonante et ses nombres quantiques () aient été fermement établis dans ce canal, sa structure interne — qu'il s'agisse d'un état moléculaire , d'un tétraquark compact ou d'un effet cinématique comme une singularité de triangle — reste débattue. Un discriminateur crucial entre ces modèles est la force relative de ses désintégrations à charme ouvert par rapport à celles à charme caché. À ce jour, aucun mode de désintégration à charme ouvert du n'avait été observé, laissant une lacune dans la compréhension de sa dynamique. Cet article traite de la recherche du dans le canal de désintégration à charme ouvert .
Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par l'expérience LHCb à des énergies de centre de masse de et $13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de . L'étude se concentre sur la reconstruction des candidats , où et les mésons sont reconstruits via les modes de désintégration ou .
L'analyse emploie une analyse d'amplitude par maximum de vraisemblance non paramétrée (Analyse d'Ondes Partielles) utilisant le logiciel TF-PWA. L'amplitude du signal est construite comme une somme cohérente de contributions résonantes et non résonantes à travers trois sous-systèmes de deux corps : , et .
- Système : Les résonances excitées connues (, , et ) sont incluses. Les composantes de spin-1 larges sont décrites à l'aide d'une méthode quasi-indépendante du modèle (QMI) avec une interpolation par spline cubique afin d'éviter les biais inhérents aux sommes simples de Breit-Wigner.
- Système : Les contributions résonantes standards sont considérées.
- Système : L'objectif principal est de tester la présence de l'état . Une fonction de Breit-Wigner relativiste est introduite pour modéliser cette contribution.
L'ajustement est effectué simultanément sur six sous-échantillons indépendants (combinaisons de modes de désintégration de et de données Run 1/Run 2). Les incertitudes systématiques sont évaluées en faisant varier les modèles de signal et de bruit de fond, les cartes d'efficacité et les descriptions d'amplitude (incluant des modèles K-matrix alternatifs et des variations du rayon de Blatt-Weisskopf).
Résultats clés
- Nécessité du tétraquark : Un ajustement de référence incluant uniquement les résonances connues échoue à décrire les données, notamment en ne reproduisant pas un creux prononcé observé dans le spectre de masse invariante près de $4,4\chi^2$ de cet ajustement de référence est de $82,1$ pour 64 bacs.
- Observation du : L'inclusion de l'état dans le sous-système améliore significativement la qualité de l'ajustement, réduisant le à $72,8$. Le changement de log-vraisemblance négative () est de $-43,0$ avec 2 degrés de liberté, ce qui correspond à une signification statistique de .
- Propriétés :
- Spin-Parité : L'hypothèse est préférée aux assignations et de plus de .
- Masse et Largeur : Lorsqu'elles sont autorisées à varier, la masse ajustée est de MeV et la largeur est de MeV. Celles-ci sont cohérentes avec les mesures précédentes dans le canal à et respectivement.
- Fraction d'ajustement : La fraction d'ajustement du est de . L'analyse note de grands effets d'interférence négative avec la composante S-wave QMI et les composantes non résonantes, qui sont nécessaires pour générer la structure de creux observée.
- Exclusion d'autres états : L'inclusion d'autres candidats exotiques tels que , et produit des améliorations marginales de la qualité de l'ajustement (significations de , et respectivement lors de tests individuels, diminuant davantage lorsqu'ils sont inclus simultanément). Des limites supérieures sur leurs fractions d'ajustement sont établies au niveau de confiance de 95 %.
- Rapports de branchement : Le produit des fractions de désintégration est mesuré. Le rapport des largeurs de désintégration partielle est déterminé comme étant .
Signification et affirmations
L'article revendique la première observation de l'état dans un canal de désintégration à charme ouvert (). L'observation est confirmée à une signification statistique dépassant (spécifiquement après prise en compte des incertitudes systématiques).
Les auteurs affirment que les propriétés mesurées (masse, largeur et spin-parité) sont cohérentes avec celles précédemment mesurées dans le canal à charme caché . Crucialement, le rapport des largeurs partielles vers les états finaux à charme ouvert et à charme caché est proche de l'unité. L'article conclut que ce résultat défavorise la dominance de l'un ou l'autre mode de désintégration et fournit un « apport important pour la compréhension de sa structure interne », bien qu'il note explicitement que « des calculs théoriques dédiés manquent encore » pour interpréter ce rapport spécifique. L'observation confirme que le est une résonance réelle avec un couplage important aux états finaux à charme ouvert.
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