Production and Decay Dynamics of the Charmed Baryon in Annihilations near Threshold
Utilizzando 6,4 fb⁻¹ di dati di collisioni raccolti dal rivelatore BESIII, questo studio presenta la prima osservazione della polarizzazione trasversa nei barioni prodotti vicino alla soglia, consentendo l'estrazione simultanea dei parametri di asimmetria di decadimento e la verifica degli osservabili di violazione di nel settore dei barioni charm.
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La materia, così come la vediamo, è composta da una piccola famiglia di particelle chiamate barioni. I più familiari tra questi sono i protoni e i neutroni, che formano i nuclei di ogni atomo dell'universo. Mentre gli scienziati hanno trascorso decenni mappando il comportamento di queste comuni particelle, un'intera classe di loro cugini più pesanti rimane molto più misteriosa. Si tratta di barioni che contengono almeno un quark "charm", un blocco fondamentale pesante che rende la particella instabile e a breve durata. Poiché queste particelle scompaiono quasi istantaneamente dopo la loro creazione, non possono essere studiate in un fascio o in un bersaglio come i loro parenti stabili. Invece, i ricercatori devono crearle in collisioni ad alta energia e osservare come si disintegrano, ricomponendo i loro segreti dai frammenti che lasciano dietro di sé. Comprendere queste particelle pesanti è cruciale perché fungono da banco di prova per le forze fondamentali che tengono insieme la materia e le regole che governano come la materia si trasforma.
Un team di fisici che utilizza il rivelatore BESIII a Pechino ha compiuto ora un passo avanti fondamentale nella comprensione di una di queste elusive particelle, il barione . Analizzando miliardi di collisioni tra elettroni e positroni, hanno osservato un tipo specifico di moto nel nuovo barione creato che non era mai stato visto prima. Questo moto rivela che la particella non sta solo ruotando casualmente; è inclinata in una direzione specifica rispetto al piano in cui è nata. Questa scoperta è significativa perché conferma che le forze elettromagnetiche che creano la particella sono più complesse di quanto precedentemente pensato, coinvolgendo uno sfasamento sottile tra diversi tipi di forze. Inoltre, studiando come questa particella inclinata decade, i ricercatori sono stati in grado di misurare gli angoli interni della sua frammentazione con alta precisione, fornendo nuovi dati per testare il modello standard della fisica delle particelle e cercare violazioni nascoste della simmetria.
L'esperimento si è svolto presso il Collisionatore Elettrone-Positrone di Pechino, dove fasci di elettroni e i loro controparti di antimateria, i positroni, vengono fatti scontrare a energie che vanno da 4600 a 4951 milioni di elettronvolt. Quando queste particelle collidono, possono annichilirsi a vicenda, convertendo la loro energia in un singolo fotone virtuale che esiste brevemente prima di trasformarsi in una coppia di barioni: un e il suo gemello di antimateria, un . I ricercatori hanno raccolto dati corrispondenti a 6,4 femtobarn inversi di collisioni, un enorme dataset che ha permesso loro di studiare 13 diversi punti di energia appena sopra la soglia in cui queste particelle possono essere create. La chiave del loro successo è stata l'osservazione degli angoli con cui le particelle volavano via e di come successivamente decadessero in particelle più leggere come protoni, pioni e kaoni.
La scoperta centrale è l'osservazione della polarizzazione trasversa. In termini semplici, quando il barione viene creato, non si limita a muoversi in avanti; esso possiede anche uno spin. I ricercatori hanno scoperto che questo spin non è casuale ma è orientato perpendicolarmente al piano definito dal fascio di elettroni in entrata e dal barione in uscita. Questa specifica orientazione è causata da una fase relativa non nulla tra due numeri complessi che descrivono come la particella interagisce con la forza elettromagnetica. Pensate a questi due numeri come a descrittori del carattere elettrico e magnetico della particella; il fatto che siano fuori fase l'uno dall'altro costringe la particella a ruotare in una direzione specifica. Questo effetto era stato previsto ma mai misurato definitivamente per questo tipo di particella. Il team ha misurato questa polarizzazione con una significatività statistica superiore a dieci deviazioni standard, il che significa che la probabilità che questo risultato sia un colpo di fortuna casuale è virtualmente nulla.
Una volta stabilito che la particella era polarizzata, i ricercatori hanno utilizzato questa informazione per misurare come la particella decade. Il è instabile e si frammenta rapidamente in altre particelle. Il modo in cui si frammenta dipende dal suo spin e dalla dinamica interna del decadimento. Analizzando gli angoli congiunti dei prodotti di decadimento in canali quali , , e , il team ha estratto i parametri di asimmetria del decadimento. Questi parametri descrivono la preferenza dei prodotti di decadimento di volare in certe direzioni rispetto allo spin della particella madre. I ricercatori hanno scoperto che il decadimento del canale ha un parametro di asimmetria negativo, confermando un segno che era stato oggetto di dibattito in studi precedenti. Hanno anche misurato la differenza di fase tra i diversi modi in cui la particella può decadere, noti come ampiezze d'onda S e d'onda P.
I risultati sfidano i modelli teorici esistenti. Il team ha confrontato le proprie misurazioni della differenza di fase tra i fattori di forma elettrici e magnetici con le previsioni basate sul modello della dominanza dei mesoni vettoriali, un quadro che assume che l'interazione sia mediata da particelle intermedie. I dati hanno mostrato una chiara deviazione da queste previsioni, suggerendo che la struttura interna del e la dinamica della sua produzione siano più complicate di quanto consentano i modelli semplici. Questa discrepanza indica che la nostra attuale comprensione di come i quark pesanti interagiscano con i quark leggeri all'interno del barione sia incompleta. Inoltre, i ricercatori hanno testato le violazioni della simmetria di carica-parità (CP), una simmetria fondamentale nella fisica. Sebbene non sia stata trovata alcuna violazione significativa della CP in questi specifici canali di decadimento, la precisione della misurazione stabilisce un nuovo metodo per cercare tali effetti in futuro.
Questo lavoro fornisce la mappa più dettagliata ad oggi di come la fase dei fattori di forma cambi con l'energia per qualsiasi barione. I ricercatori hanno misurato il seno della differenza di fase in 13 punti di energia distinti, rivelando una struttura che varia significativamente attraverso l'intervallo di energia. Il valore efficace (root-mean-square) della polarizzazione trasversa ha raggiunto un massimo di circa il 18 percento a un'energia di 4661 MeV. Queste misurazioni dei parametri di asimmetria del decadimento e delle differenze di fase tra le ampiezze di decadimento sono ora disponibili ai teorici per perfezionare i loro modelli delle interazioni forti e deboli. Confermando l'esistenza della polarizzazione trasversa e misurando i suoi effetti sul decadimento, lo studio apre una nuova via per esplorare le simmetrie fondamentali della natura nel regno dei barioni pesanti, dimostrando che i collisionatori elettrone-positrone sono strumenti potenti per svelare la dinamica nascosta del mondo subatomico.
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