Search for lepton-number-violating $B^-\to D^{(*)+}\mu^-\mu^-$ decays

Utilizzando dati di collisione protone-protone a 13 TeV corrispondenti a una luminosità integrata di 5,4 fb$^{-1}$, l'esperimento LHCb ha condotto una ricerca di decadimenti $B^-\to D^{(*)+}\mu^-\mu^-$ che violano il numero leptonico, non ha osservato alcun segnale significativo e ha stabilito limiti superiori al livello di confidenza del 95% sulle frazioni di decadimento di $4,6 \times 10^{-8}$ e $5,9 \times 10^{-8}$ per i modi $D^+$ e $D^{*+}$, rispettivamente.

L'essenziale

Immagina l'universo come una gigantesca pista di corsa ad alta velocità dove minuscole particelle sfrecciano a una velocità prossima a quella della luce. I fisici dell'esperimento LHCb del CERN sono come detective che osservano questa corsa, alla ricerca di un evento specifico, quasi impossibile, che infrange le regole.

Ecco la storia della loro più recente indagine, spiegata in modo semplice.

Il Mistero: Uno Scambio Vietato

Nel mondo della fisica delle particelle, esiste una regola fondamentale chiamata "Conservazione del Numero Leptonico". Immagina questa regola come un rigoroso sistema di contabilità. In una transazione normale, se prelevi due monete "negative" (elettroni o muoni), devi anche rilasciare due neutrini "positivi" per pareggiare il bilancio.

Tuttavia, alcune teorie suggeriscono che i neutrini potrebbero essere le proprie antiparticelle (come una moneta che ha testa su entrambi i lati). Se ciò fosse vero, il bilancio potrebbe essere pareggiato in modo diverso. Due monete "negative" potrebbero essere create senza che vengano rilasciati neutrini "positivi". Questo è chiamato violazione del numero leptonico.

Gli scienziati cercavano una specifica "transazione vietata": un pesante mesone B-meno che decade in una particella più leggera (un mesone D) e due muoni (che sono come elettroni pesanti), con nessun neutrino in vista.

Il Lavoro Investigativo: Catturare il Fantasma

Per trovare questo raro evento, il team di LHCb ha utilizzato un enorme set di dati dal 2016 al 2018, equivalente all'osservazione di 5,4 miliardi di miliardi (5,4 fb⁻¹) di collisioni.

1. La Preparazione:
Hanno costruito una gigantesca telecamera ad alta tecnologia (il rivelatore) per catturare le particelle che fuoriescono dalle collisioni di protoni. Cercavano una firma specifica: un mesone B che si divide improvvisamente in un mesone D e due muoni con la stessa carica elettrica.

2. Il Rumore:
Il problema è che la pista di corsa è incredibilmente affollata. La maggior parte delle volte, le particelle decadono in modi normali, oppure i rivelatori si confondono.

• I Muoni "Falsi": A volte, un pione (un altro tipo di particella) vola così velocemente da spezzarsi in un muone reale, oppure il rivelatore scambia un pione per un muone. Questo crea un segnale "falso" che assomiglia esattamente all'evento vietato.
• Il Disordine "Combinatorio": Immagina una stanza piena di persone che lanciano palle. A volte, per puro caso, due palle a caso finiscono insieme in un secchio. Questo è il "fondo combinatorio" — rumore casuale che sembra un modello.

3. I Filtri:
Per trovare il segnale reale, il team ha utilizzato un "filtro intelligente" (uno strumento di apprendimento automatico chiamato Albero Decisionale Potenziato).

• Hanno insegnato al computer come appare un evento "falso" studiando milioni di simulazioni.
• Hanno controllato le "impronte" (parametri di impatto) delle particelle per assicurarsi che provenissero tutte dallo stesso punto esatto nello stesso momento esatto.
• Hanno utilizzato un evento di "normalizzazione" (un decadimento molto comune e ben compreso) come righello per misurare l'efficienza della loro telecamera.

Il Risultato: Nessun Fantasma Trovato

Dopo aver setacciato i dati con questi filtri incredibilmente stretti, gli scienziati hanno esaminato i risultati.

• Il Verdetto: Non hanno trovato alcuna prova chiara del decadimento vietato. Il "segnale" che hanno visto era solo rumore casuale, coerente con quanto ci si aspetterebbe se l'evento che infrange le regole non avvenisse mai.
• Il Limite: Anche se non l'hanno trovato, hanno stabilito un "limite di velocità" molto rigoroso su quanto spesso questo potrebbe accadere. Hanno calcolato che, se questo decadimento avviene, si verifica meno di 4,6 volte ogni 100 milioni di decadimenti di mesoni B (per un tipo) e meno di 5,9 volte ogni 100 milioni (per l'altro).

Perché Questo È Importante (Secondo il Documento)

Il documento afferma che, sebbene non abbiano trovato il "fantasma", questo è comunque una vittoria per la scienza.

• Strumenti Migliori: Hanno migliorato significativamente i loro metodi rispetto agli studi precedenti, in particolare diventando più bravi a individuare quando i pioni fingono di essere muoni.
• Regole Più Rigide: Hanno ora stabilito i limiti più rigorosi nella storia per questo specifico tipo di decadimento.
• Il Quadro Generale: Sebbene le previsioni teoriche per questo evento siano così rare che anche questo esperimento massiccio è probabilmente troppo piccolo per vederli, questo lavoro aiuta a mappare lo "spazio di ricerca". Indica agli scienziati futuri esattamente dove guardare e quanto devono essere sensibili i loro prossimi rivelatori per finalmente intravedere questi neutrini di Majorana.

In sintesi: I detective hanno cercato molto attentamente uno scambio di particelle che infrange le regole, non hanno trovato nulla e hanno dichiarato: "Se sta accadendo, è più raro di quanto pensassimo". Questo aiuta a perfezionare la mappa delle leggi fondamentali dell'universo.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Ricerca di Decadimenti che Violano il Numero Leptonico $B^- \to D^{(*)+} \mu^- \mu^-$

Problema e Motivazione
La natura fondamentale dei neutrini—se siano fermioni di Dirac o di Majorana—rimane una questione aperta nella fisica delle particelle. Stabilire la natura di Majorana dei neutrini è un obiettivo primario, solitamente perseguito attraverso l'osservazione del doppio decadimento beta senza neutrini ($0\nu\beta\beta$). Sebbene gli esperimenti $0\nu\beta\beta$ sondino gli accoppiamenti con gli elettroni, ricerche analoghe nel settore dei sapori pesanti possono sondare gli accoppiamenti con i muoni. Questo lavoro presenta una ricerca di decadimenti che violano il numero leptonico (LNV) della forma $B^- \to D^{(*)+} \mu^- \mu^-$. Tali processi sono vietati nel Modello Standard (SM) e indicherebbero l'esistenza di neutrini di Majorana. L'analisi si concentra su una topologia specifica in cui il mesone charm e i due muoni a stesso segno originano da un vertice comune, corrispondente a scenari che coinvolgono neutrini di Majorana leggeri ($m_N < m_\pi$) o pesanti ($m_N > m_B$), come discusso nella letteratura teorica [11, 12].

Metodologia
L'analisi utilizza dati di collisione protone-protone raccolti dall'esperimento LHCb a un'energia nel centro di massa di 13 TeV, corrispondenti a una luminosità integrata di 5.4 fb$^{-1}$ (2016–2018). La ricerca ricostruisce i decadimenti di segnale attraverso i canali adroni-charm $D^+ \to K^-\pi^+\pi^+$ e $D^{*+} \to D^0(\to K^-\pi^+)\pi^+$.

I componenti metodologici chiave includono:

• Selezione degli Eventi: I candidati sono selezionati richiedendo un vertice comune per la $D^{(*)+}$ e i due muoni a stesso segno. I fit cinematici vincolano le masse invarianti degli stati charm intermedi ai valori noti. Vengono applicati requisiti stringenti sul parametro di impatto ($\chi^2_{IP}$) e criteri di identificazione delle particelle (PID) per sopprimere i fondi provenienti da pioni scambiati per muoni.
• Soppressione del Fondo: Viene impiegato un classificatore Boosted Decision Tree (BDT) per separare il segnale dal fondo combinatorio. L'addestramento utilizza campioni di segnale simulati e campioni di fondo guidati dai dati (bande laterali di massa).
• Modellizzazione del Fondo: I fondi dominanti derivano da decadimenti scambiati, specificamente $B^- \to D^{(*)+} \pi^- \mu^- \nu_\mu$ (scambio singolo) e $B^- \to D^{(*)+} \pi^- \pi^-$ (doppio scambio). L'analisi introduce una correzione sofisticata per lo scambio pion-muone, tenendo conto dei pioni che decadono in volo. Ciò comporta una calibrazione guidata dai dati dei tassi di scambio e un'operazione di "smearing" (allargamento) basata sulla simulazione dei residui di momento per modellare accuratamente le distorsioni cinematiche causate dagli effetti del decadimento in volo.
• Normalizzazione: Le frazioni di decadimento sono misurate rispetto al canale di normalizzazione $B^- \to \psi(2S)(\to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\pi^+\pi^-)K^-$, che condivide lo stesso contenuto di particelle nello stato finale.
• Analisi Statistica: Viene eseguito un fit di massima verosimiglianza esteso non binnato sulle distribuzioni di massa invariante della $B^-$. Il rendimento del segnale viene estratto vincolando i rendimenti dei fondi scambiati sulla base della simulazione e dei dati di calibrazione. Vengono stabiliti limiti superiori utilizzando il metodo $CL_s$.

Contributi Chiave
Questo lavoro rappresenta un miglioramento significativo rispetto alle precedenti ricerche LHCb [4] in diversi ambiti:

1. Dimensione del Dataset: Utilizzo di un dataset più ampio (5.4 fb$^{-1}$ rispetto a campioni precedenti più piccoli).
2. Stima del Fondo: Un trattamento raffinato dei fondi provenienti da pioni scambiati per muoni. Il lavoro affronta esplicitamente gli effetti di degradazione del momento dei pioni che decadono in volo, un fattore non completamente considerato negli studi precedenti. Ciò è ottenuto attraverso un campione di calibrazione dedicato e una procedura di smearing del momento applicata alla simulazione.
3. Ottimizzazione della Selezione: L'implementazione di un classificatore BDT per sopprimere il fondo combinatorio e requisiti PID più stringenti per ridurre le probabilità di scambio dei pioni al di sotto dell'1% per traccia.
4. Controllo Sistematico: Una valutazione completa delle incertezze sistematiche, inclusa la dipendenza dal modello di decadimento, la calibrazione PID e le variazioni dell'efficienza di trigger.

Risultati
Non viene osservato alcun segnale significativo né nel canale $B^- \to D^+ \mu^- \mu^-$ né nel canale $B^- \to D^{*+} \mu^- \mu^-$. I rendimenti di segnale osservati sono coerenti con le fluttuazioni del fondo ($9.0 \pm 5.3$ eventi per $D^+$ e $-1.7 \pm 2.1$ eventi per $D^{*+}$).

Di conseguenza, vengono stabiliti limiti superiori sulle frazioni di decadimento al 95% di livello di confidenza (CL):

• $\mathcal{B}(B^- \to D^+ \mu^- \mu^-) < 4.6 \times 10^{-8}$
• $\mathcal{B}(B^- \to D^{*+} \mu^- \mu^-) < 5.9 \times 10^{-8}$

Questi limiti rappresentano un miglioramento di oltre un ordine di grandezza rispetto ai risultati precedenti [4].

Significato
Il lavoro afferma che, sebbene la sensibilità raggiunta sia ancora lontana dalle previsioni teoriche per i decadimenti indotti da neutrini di Majorana (che sono previsti a un livello di $O(10^{-23})$ fino a $O(10^{-22})$), i risultati stabiliscono i limiti più stringenti a oggi su questi specifici modi di decadimento LNV. Lo studio dimostra la capacità sperimentale di eseguire ricerche indipendenti dal modello per decadimenti senza neutrini nel sistema dei mesoni $B$ e fornisce una strategia raffinata per future misurazioni più sensibili. I miglioramenti nella modellizzazione e nella soppressione del fondo servono come fondamento per analisi successive nella ricerca di fisica oltre il Modello Standard.