Observation of $CP$ violation in $B^{0}\!\to{J\mskip-3mu/\mskip-2muψ}ρ(770)^0$ decays

Utilizzando i dati di collisioni protone-protone dell'LHCb del periodo 2015–2018, questo articolo riporta la prima osservazione della violazione di $CP$ dipendente dal tempo nei decadimenti $B^{0}\!\to{J/\psi}\rho(770)^{0}$, fornendo parametri di violazione di $CP$ precisi che, combinati con misurazioni precedenti sotto la simmetria di sapore SU(3), forniscono il vincolo più stringente ad oggi sul contributo dei penguin alla fase di violazione di $CP$ nei decadimenti $B^{0}_{s}\!\to{J/\psi}\phi(1020)$.

L'essenziale

Immaginate l'universo come una gigantesca pista da ballo ad alta velocità dove piccole particelle chiamate mesoni B sono i ballerini. Di solito, questi ballerini seguono una coreografia rigorosa dettata dal "Modello Standard", che è come il libro delle regole della fisica. Tuttavia, ai fisici piace cercare i momenti in cui i ballerini infrangono le regole, specificamente una regola chiamata violazione di CP.

Pensate alla violazione di CP come a un test allo specchio. Se guardate un ballerino in uno specchio, dovrebbe compiere i movimenti esattamente opposti. Ma a volte, il ballerino reale e la sua immagine riflessa fanno cose leggermente diverse. Trovare queste differenze è fondamentale perché aiuta gli scienziati a capire perché il nostro universo è fatto di materia (noi) invece di essere vuoto, o perché non c'è una quantità uguale di "antimateria".

La Grande Scoperta

Questo articolo della collaborazione LHCb al CERN riporta una grande svolta: hanno finalmente colto un mesone B mentre "rompeva le regole" in una specifica mossa di danza chiamata $B^0 \to J/\psi \rho(770)^0$.

Ecco la scomposizione semplice di ciò che hanno fatto e scoperto:

1. L'Allestimento: Una Fotocamera ad Alta Velocità
Gli scienziati hanno utilizzato il Large Hadron Collider (LHC), una macchina massiccia che fa scontrare protoni a velocità quasi pari a quella della luce. Hanno agito come una fotocamera ad alta velocità, registrando miliardi di queste collisioni nell'arco di quattro anni (2015–2018). Cercavano una "danza" molto specifica in cui un mesone B decade in una particella $J/\psi$ (che è come una coppia pesante e stabile) e una particella $\rho(770)^0$ (che è come una coppia di pioni energetica e a breve durata).

2. Il Problema: L'Interferenza "Fantasma"
In passato, gli scienziati volevano misurare un angolo specifico (chiamato $\phi_s$) che indica come queste particelle si mescolano e cambiano. Tuttavia, c'era un "fantasma" nella macchina. In fisica, ci sono due modi in cui una particella può decadere:

• Il Percorso Principale: Il modo diretto e veloce (come prendere un'autostrada).
• Il Percolo Penguin: Un percorso più lento e complicato a elica che coinvolge particelle virtuali (come prendere una strada secondaria tortuosa).

Il percorso "Penguin" (chiamato così perché il diagramma di Feynman somiglia un po' a un pinguino) rovina la misurazione del percorso principale. È come cercare di misurare la velocità di un'auto su un'autostrada, ma c'è una strada lenta e tortuosa che si immette, rendendo il tachimetro instabile. Gli scienziati dovevano sapere esattamente quanto la "strada secondaria" stesse disturbando la misurazione dell'autostrada.

3. La Soluzione: Il Gruppo di Controllo
Per risolvere questo problema, gli scienziati avevano bisogno di un "gruppo di controllo". Hanno osservato una danza diversa, ma molto simile: $B^0 \to J/\psi \rho(770)^0$.

• Pensate alla danza principale ($B_s$) come a un balletto complesso.
• Pensate a questa nuova danza ($B^0$) come a una versione più semplice dello stesso balletto.

Misurando quanto il "fantasma Penguin" interferiva con la danza più semplice, potevano calcolare matematicamente quanto stava interferendo con il balletto complesso. È come misurare quanto il vento influenzi una piccola auto giocattolo per prevedere quanto influenzerà una vera auto da corsa.

4. Il Risultato: Un Segnale Chiaro
Utilizzando una quantità enorme di dati (6 volte superiore al loro tentativo precedente), hanno misurato i "parametri di violazione di CP" per questa nuova danza.

• Hanno trovato un valore di 0,710 radianti per lo sfasamento (la quantità di rottura delle regole).
• Hanno trovato che la "simmetria speculare" era infranta con alta precisione.

Questa è la prima volta che qualcuno vede questo specifico tipo di violazione di CP dipendente dal tempo in questo genere di decadimento. È come se finalmente si riuscisse a sentire un sussurro in una stanza rumorosa perché si è finalmente costruito un microfono migliore.

5. Perché è Importante
Poiché hanno misurato questo effetto "Penguin" con estrema precisione nel gruppo di controllo, possono ora correggere le misurazioni della danza principale (il "balletto" $B_s \to J/\psi \phi$).

• Prima: La misurazione della danza principale era sfocata a causa del fantasma "Penguin".
• Ora: Hanno sottratto l'effetto del fantasma e hanno scoperto che lo spostamento "Penguin" è minuscolo: 5,0 ± 4,2 milliradianti.

In Breve

Questo articolo non inventa una nuova tecnologia o cura una malattia. È invece un passo enorme nella fisica di precisione.

• Hanno dimostrato che un tipo specifico di decadimento di particelle rompe le regole della simmetria (violazione di CP) per la prima volta.
• Hanno usato questa nuova prova per pulire i dati di un altro decadimento di particelle più importante.
• Il risultato è un'immagine molto più nitida e accurata di come funziona l'universo, confermando che il nostro attuale "libro delle regole" (il Modello Standard) regge, ma con margini di errore molto più stretti.

In breve: hanno trovato un nuovo modo per misurare il "rumore" dell'universo in modo da poter ascoltare il "segnale" molto più chiaramente.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Osservazione della Violazione di CP nei decadimenti $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$

Problema e Motivazione
Gli studi della violazione di CP nei mesoni neutri $B$ sono critici per testare il Modello Standard (SM) e indagare la nuova fisica. Un osservabile primario è la fase di violazione di CP $\phi_s$ associata al mixing $B^0_s$–$\bar{B}^0_s$. Nel SM, $\phi_s$ è predetta come $-37,6^{+0,6}_{-0,5}$ mrad. Le attuali misurazioni sperimentali nel canale "golden" $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ forniscono una media di $\phi_s = -50 \pm 17$ mrad. Tuttavia, l'incertezza sperimentale è ora comparabile allo spostamento teorico, $\Delta\phi_s$, causato dai contributi di penguin (loop) trascurati. Questi effetti non perturbativi a lungo raggio impediscono calcoli teorici precisi di $\Delta\phi_s$.

Per vincolare questi effetti di penguin, la collaborazione LHCb utilizza la simmetria di flavour SU(3) per relazionare i contributi di penguin in $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ ($b \to c\bar{c}s$) con quelli in $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$ ($b \to c\bar{c}d$). Quest'ultimo canale funge da modo di controllo con sensibilità potenziata ai parametri di penguin adronici. Misurazioni precedenti utilizzando i dati di Run 1 (2011–2012) hanno prodotto un vincolo su $\Delta\phi_s$ di $0,9 \pm 9,8$ mrad, insufficiente per limitare significativamente la contaminazione da penguin. Questo articolo presenta un'analisi aggiornata utilizzando i dati di Run 2 per migliorare la precisione e, per la prima volta, osservare la violazione di CP tempo-dipendente in questo specifico modo di decadimento.

Metodologia
L'analisi utilizza i dati di collisione protone-protone raccolti dal rivelatore LHCb a un'energia di centro di massa di $\sqrt{s} = 13$ TeV durante il periodo 2015–2018, corrispondente a una luminosità integrata di $6$ fb$^{-1}$. Lo studio si concentra sulla catena di decadimento $B^0 \to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\rho(770)^0(\to \pi^+\pi^-)$.

• Ricostruzione e Selezione: I candidati vengono ricostruiti all'interno dell'intervallo di massa invariante $[5250, 5500]$ MeV/$c^2$. Un classificatore basato su alberi decisionali potenziati (boosted decision tree) sopprime il background combinatorio. I background di picco dovuti a kaoni e protoni mal identificati vengono rimossi tramite l'identificazione delle particelle, e i decadimenti $B^0 \to J/\psi K_S^0$ vengono esclusi (veto).
• Estrazione della Resa: Viene eseguito un fit unbinned maximum-likelihood sulla distribuzione $m(J/\psi\pi^+\pi^-)$ per separare il segnale dal background combinatorio (modellato da un polinomio del quinto ordine) e dai background parzialmente ricostruiti (es. $B^0_s \to J/\psi \eta' \rho^0 \gamma$). La resa del segnale è di circa 51.000 eventi. I residui dei background vengono sottratti statisticamente utilizzando eventi a peso negativo.
• Analisi di Ampiezza: Viene eseguito un fit multidimensionale weighted maximum-likelihood sulle distribuzioni corrette per il background relative al tempo di decadimento, alla massa invariante $\pi^+\pi^-$ ($m_{\pi\pi}$) e alle variabili angolari ($\cos\theta_\pi, \cos\theta_\mu, \chi$). Il fit viene eseguito simultaneamente su sei sottocampioni definiti dal periodo di acquisizione dati e dalla categoria di trigger.
• Efficienza e Tagging: L'analisi tiene conto delle efficienze di rilevamento non uniformi nelle variabili di tempo di decadimento e angolari. L'efficienza del tempo di decadimento è determinata utilizzando il canale di controllo $B^0 \to J/\psi K^{*0}$. Il flavor tagging è eseguito tramite algoritmi di tipo "opposite-side" e "same-side", con un potere di tagging efficace combinato del 4,5%. I candidati non taggati (12% del segnale) sono esclusi dal fit di CP.
• Modellazione delle Resonanze: Lo spettro $m_{\pi\pi}$ è modellato utilizzando sei risonanze: $\rho(770)^0$, $\rho(1450)^0$, $\rho(1700)^0$, $f_0(500)$, $f_2(1270)$ e $\omega(782)$. Al componente $\rho(770)^0$ vengono assegnati parametri di violazione di CP indipendenti ($2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}}$ e $|\lambda|$), mentre le altre risonanze condividono un set comune.
• Riduzione della Diluizione: Per mitigare la diluizione dell'asimmetria di CP causata dall'integrazione nello spazio delle fasi, viene utilizzata una variabile di tempo di decadimento trasformata $t'$, che allinea le fasi di oscillazione attraverso diverse regioni del diagramma di Dalitz.

Risultati Chiave
I parametri di violazione di CP tempo-dipendente per il processo $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$ sono misurati come:

• $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}} = 0,710 \pm 0,084 \text{ (stat)} \pm 0,02 \text{ (syst)}$ rad
• $|\lambda| = 1,019 \pm 0,034 \text{ (stat)} \pm 0,009 \text{ (syst)}$

La significatività statistica di un valore non nullo per $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}}$ è di circa 10 deviazioni standard, stabilendo la prima osservazione della violazione di CP tempo-dipendente in decadimenti di mesoni $B$ a stati finali di charmonium mediati da una transizione $b \to c\bar{c}d$. I risultati non mostrano evidenza di effetti dipendenti dalla polarizzazione, poiché i parametri misurati separatamente per diverse ampiezze di trasverso sono mutuamente consistenti.

Combinando questi risultati di Run 2 con la precedente misurazione di Run 1 si ottiene:

• $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}} = 0,718 \pm 0,081$ rad
• $|\lambda| = 1,030 \pm 0,031$

Utilizzando questi parametri combinati e assumendo un'approssimativa simmetria di flavour SU(3), lo spostamento di penguin alla fase di $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ è vincolato a:

• $\Delta\phi_s = 5,0 \pm 4,2$ mrad

Uno studio della rottura della simmetria di flavour SU(3), scansionando il rapporto tra le ampiezze e la differenza di fase tra le transizioni $b \to c\bar{c}d$ e $b \to c\bar{c}s$, indica che le incertezze di rottura della simmetria potrebbero aumentare l'errore su $\Delta\phi_s a un massimo di 6,4 mrad.

Significatività
Questo lavoro costituisce la prima osservazione della violazione di CP tempo-dipendente nei decadimenti $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$. La precisione della misurazione è circa il doppio del precedente risultato di LHCb. Fornendo il più stringente vincolo a oggi sul contributo di penguin ($\Delta\phi_s$) alla fase di violazione di CP di $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$, questi risultati sono essenziali per test di precisione del Modello Standard. I parametri misurati fungono da input critici per analisi globali volte a determinare simultaneamente le fasi $2\beta$ e $\phi_s$ in presenza di inquinamento da penguin.