Observation of the decay $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J\mskip -3mu/\mskip -2mu\psi \mu^+\mu^-$

Utilizzando 9 fb$^{-1}$ di dati di collisione protone-protone raccolti dal rivelatore LHCb, questo articolo riporta la prima osservazione del decadimento $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \mu^+\mu^-$ con una significatività di 6.5$\sigma$ e ne misura la frazione di ramificazione relativa al canale $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \pi^+\pi^-$ pari a $(1.68\pm 0.32\pm 0.05)\times10^{-3}$.

L'essenziale

La Grande Caccia alle Particelle: Trovare un Fantasma nella Macchina

Immaginate il Large Hadron Collider (LHC) al CERN come il frantumatore di particelle più potente al mondo. Spara protoni l'uno contro l'altro a velocità prossime a quella della luce, creando un'esplosione caotica di detriti subatomici. La maggior parte di questi detriti è noiosa e prevedibile, ma a volte, nascosti nel caos, ci sono particelle rare ed esotiche che non rientrano nel manuale standard della fisica.

Questo articolo riporta la caccia riuscita dell'esperimento LHCb a un tale evento raro: un specifico decadimento "fantasma" di una particella chiamata $\chi_{c1}(3872)$.

La Particella Misteriosa: $\chi_{c1}(3872)$

Pensate al $\chi_{c1}(3872)$ come a un ospite misterioso a una festa. Sappiamo che esiste e conosciamo il suo nome, ma gli scienziati stanno ancora discutendo su cosa sia effettivamente.

• È una particella "carmionio" standard (un quark pesante e il suo antiquark che si tengono per mano)?
• È un "tetraquark" (quattro quark tenuti insieme)?
• È una "molecola" composta da due altre particelle legate debolmente?

Per risolvere questo mistero, gli scienziati devono osservare come si comporta questa particella quando si spezza. Più modi possiamo vedere in cui decade, meglio possiamo comprendere la sua vera natura.

La Nuova Scoperta: Una Rara Frammentazione

Per molto tempo, gli scienziati hanno saputo che il $\chi_{c1}(3872)$ si spezza spesso in un $J/\psi$ (una particella pesante) e due pioni (particelle leggere). È come se la particella rompesse un vaso in un pesante vaso da fiori e due piccoli sassolini. Questo accade frequentemente.

Tuttavia, questo articolo annuncia la prima volta che qualcuno ha visto il $\chi_{c1}(3872)$ spezzarsi in un $J/\psi$ e due muoni (cugini pesanti degli elettroni).

• L'Analogia: Immaginate di avere un giocattolo che di solito si rompe in un blocco pesante e due biglie piccole. Avete visto questo accadere migliaia di volte. Ma all'improvviso, lo vedete rompersi in un blocco pesante e due pesanti palle da bowling. È lo stesso giocattolo, ma un modo molto più raro e strano di rompersi.

Il team ha analizzato dati dal 2011 al 2018 (circa 9 "femtobarn inversi" di dati, che è un modo elegante per dire "una quantità enorme di registrazioni di collisioni"). Hanno trovato 60 di questi eventi rari. La certezza statistica che questo non fosse solo rumore casuale è di 6.5 sigma. Nel mondo della fisica delle particelle, 5 sigma è lo standard d'oro per una "scoperta", quindi 6.5 è un molto sicuro "Sì, l'abbiamo visto!".

Come l'hanno Trovato (Il Lavoro Investigativo)

Trovare questi eventi rari è come trovare un ago specifico in un pagliaio grande quanto una città, dove l'ago sembra quasi esattamente un pezzo di paglia.

1. Il Filtro (Trigger): Il sistema informatico agisce come un buttafuori in un club, lasciando entrare solo eventi che sembrano promettenti (come avere due muoni).
2. L'Investigatore (BDT): Il team ha utilizzato un "Boosted Decision Tree" (BDT), che è essenzialmente un algoritmo informatico super-intelligente addestrato a individuare schemi. È stato istruito a distinguere tra muoni reali e pioni che fingono di essere muoni (un trucco comune nella fisica delle particelle).
   • Analogia: Immaginate una guardia di sicurezza che deve distinguere tra un vero diamante e un pezzo di vetro che sembra un diamante. Il BDT è la guardia che ha studiato migliaia di diamanti e sa esattamente come la luce si riflette su quello vero.
3. Il Confronto: Per misurare quanto è raro questo evento, lo hanno confrontato con il comune decadimento "sassolino" ($J/\psi$ + pioni). Hanno scoperto che per ogni 1.000 volte in cui la particella si spezza in sassolini, si spezza in palle da bowling (muoni) circa 1.7 volte.

Cosa Significa

L'articolo conclude che questo raro decadimento avviene con una frazione di ramo di circa $1.68 \times 10^{-3}$ rispetto al decadimento comune.

• Il Controllo della Previsione: Prima di questo esperimento, un articolo teorico aveva previsto che questo decadimento sarebbe accaduto circa 4 volte su 100.000. La nuova misurazione è di circa 7 volte su 100.000. Sebbene non sia una corrispondenza esatta, il nuovo risultato è abbastanza vicino alla previsione da dire: "Ok, le nostre teorie attuali non sono totalmente sbagliate, ma dobbiamo guardare più da vicino".

La Conclusione

Questo articolo non afferma di aver risolto il mistero di cosa sia il $\chi_{c1}(3872)$ ancora. Invece, ha aperto una nuova porta. Dimostrando che questa particella può decadere in muoni, gli scienziati hanno ora un nuovo strumento per studiarlo.

Gli autori suggeriscono che con ancora più dati in futuro, potrebbero essere in grado di vedere come avviene il decadimento—se è guidato da un "fotone virtuale" (un lampo fugace di luce) o dalla creazione di altre particelle come il mesone $\omega$. Questo potrebbe finalmente aiutarli a decidere se il $\chi_{c1}(3872)$ è un tetraquark compatto, una molecola lasca o qualcos'altro del tutto.

In sintesi: Hanno trovato un modo molto raro e strano in cui una particella misteriosa si spezza, confermando che esiste e dando ai fisici un nuovo indizio per risolvere il mistero ventennale di cosa sia realmente questa particella.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Osservazione del decadimento $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$

Problema e Motivazione
Negli ultimi due decenni, la natura dello stato $\chi_{c1}(3872)$ (precedentemente $X(3872)$) è rimasta oggetto di intenso dibattito nel campo della spettroscopia adronica. Sebbene la sua esistenza e i suoi numeri quantici ($J^{PC} = 1^{++}$) siano ben stabiliti, la sua struttura interna è controversa, con ipotesi che vanno da un tetraquark compatto a una molecola debolmente legata $D^{*0}D^0$ o a una miscela di componenti di charmonio e molecolari. Per chiarire tale natura, sono necessari ulteriori studi dei suoi modi di decadimento.

Il decadimento $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$ è di particolare interesse in quanto coinvolge una coppia di muoni. Considerazioni teoriche suggeriscono che, a basse masse della coppia di muoni, il decadimento è dominato da un polo di fotone virtuale, mentre a masse più elevate sono attese contribuzioni da mesoni $\rho^0$ e $\omega$ reali. Il mesone $\omega$ si accoppia più fortemente alla coppia di muoni rispetto al $\rho^0$, rendendo potenzialmente il contributo dell'$\omega$ più prevalente nel modo $J/\psi\mu^+\mu^-$ rispetto al modo analogo $J/\psi\pi^+\pi^-$. Prima di questo lavoro, questo canale di decadimento aveva ricevuto poca attenzione, con una singola stima teorica che prevedeva una frazione di ramificazione di $(4.2 \pm 1.7) \times 10^{-5}$ basata su contributi di decadimento di Dalitz. Inoltre, la potenziale presenza dello stato $\chi_{c0}(3915)$ nello spettro di massa invariante della coppia di muoni al di sopra della soglia dell'$\omega$ è stata indicata come un fattore che richiede considerazione nella modellazione del fondo.

Metodologia
L'analisi utilizza dati di collisioni protone-protone raccolti dal rivelatore LHCb tra il 2011 e il 2018, corrispondenti a una luminosità integrata di $9 \text{ fb}^{-1}$ (3 $\text{fb}^{-1}$ a $\sqrt{s} = 7, 8$ TeV e 6 $\text{fb}^{-1}$ a 13 TeV). Lo studio si concentra su candidati $\chi_{c1}(3872)$ spostati originanti dal decadimento di adroni beauty di lunga vita.

• Selezione: L'analisi seleziona candidati $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ spostati dal vertice di interazione primario. Questi sono combinati con una coppia di tracce di carica opposta identificate come muoni (per il segnale) o pioni (per il modo di normalizzazione, $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$).
• Soppressione del Fondo: Per respingere il fondo derivante da pioni mal identificati come muoni nel modo di segnale, un classificatore Boosted Decision Tree (BDT1) è addestrato utilizzando la simulazione e validato con il modo di controllo $\chi_{c1}(1P) \to J/\psi\mu^+\mu^-$. Un secondo BDT (BDT2) è impiegato per ridurre il fondo combinatorio da combinazioni casuali di $J/\psi$ e muoni.
• Modellazione di Massa: Il rendimento del segnale è estratto tramite un fit di massima verosimiglianza esteso non binnato alla distribuzione di massa invariante $J/\psi\mu^+\mu^-$. La forma di linea del segnale è modellata da una funzione di Breit-Wigner convoluta con una funzione Crystal Ball a due lati. Il fondo combinatorio è modellato da un polinomio del primo ordine moltiplicato per un fattore di spazio delle fasi. Il fit include componenti per il segnale $\chi_{c1}(3872)$, il fondo combinatorio, il fondo da malidentificazione di pioni e un potenziale contributo $\chi_{c0}(3915)$. I candidati con stessa carica ($J/\psi\mu^\pm\mu^\pm$) sono utilizzati per vincolare la forma del fondo.
• Efficienza e Normalizzazione: La frazione di ramificazione è misurata rispetto al abbondante modo $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$. Le efficienze relative di rivelazione e selezione sono valutate utilizzando la simulazione, con correzioni applicate per l'identificazione delle particelle (PID) e le differenze di prestazioni del BDT tra dati e simulazione.

Contributi Chiave e Risultati
Il lavoro riporta la prima osservazione del decadimento $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$.

• Significatività: Il segnale è osservato con una significatività statistica di $6.5\sigma$, incluse le incertezze sistematiche relative al modello di massa.
• Rendimenti: Il rendimento totale adattato per il segnale è di $60 \pm 11$ eventi tra Run 1 e Run 2. La massa adattata è $3872.58 \pm 0.83$ MeV. Il rendimento per lo stato $\chi_{c0}(3915)$ risulta essere $14 \pm 14$, indicando che l'attuale set di dati è insufficiente per trarre conclusioni solide sulla sua presenza in questo canale.
• Rapporto delle Frazioni di Ramificazione: Il rapporto delle frazioni di ramificazione è misurato come:
  $$\frac{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-)}{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-)} = (1.68 \pm 0.32 \pm 0.05) \times 10^{-3}$$
  dove la prima incertezza è statistica e sistematica non correlata, e la seconda è sistematica correlata.
• Frazione di Ramificazione Assoluta: Utilizzando la frazione di ramificazione nota per il modo di normalizzazione, la frazione di ramificazione assoluta è determinata come:
  $$\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-) = (7.2 \pm 2.7) \times 10^{-5}$$
  Questo risultato è coerente con la previsione teorica di $(4.2 \pm 1.7) \times 10^{-5}$ trovata nel Rif. [15], che considera solo il contributo di Dalitz.

Significato del Lavoro
Gli autori affermano che questa prima osservazione può aiutare a chiarire la natura dello stato $\chi_{c1}(3872)$ e identificare potenziali vie per future indagini. Il lavoro nota che con un set di dati più ampio, sarà possibile studiare i fattori di forma del decadimento per districare i contributi del fotone virtuale e dei mesoni $\rho^0$ o $\omega$. Inoltre, un set di dati più ampio permetterebbe un'indagine più dettagliata dell'enhancement coerente con lo stato $\chi_{c0}(3915)$ per determinare quali stati sono presenti in questa regione di massa. Il lavoro si basa su osservazioni precedenti di decadimenti di Dalitz muonici simili di mesoni $\chi_c$ e $\chi_b$.