Search for the decays $B_{(s)}^0\to J/\psi\gamma$ at LHCb

Utilizzando i dati raccolti dall'esperimento LHCb, questo studio pone nuovi limiti superiori sui rari decadimenti $B_{(s)}^0\to J/\psi\gamma$, migliorando significativamente i risultati precedenti e stabilendo un limite per il decadimento $B_{s}^0\to J/\psi\gamma$ di $2.9\times10^{-6}$ al livello di confidenza del 90%.

L'essenziale

🕵️‍♂️ La Caccia al "Fantasma" di LHCb

Immagina l'acceleratore di particelle del CERN (LHC) come un gigantesco tiro alla fune cosmico. Due fasci di protoni viaggiano a velocità prossime a quella della luce e si scontrano con una forza incredibile. Questi scontri sono come esplosioni di fuochi d'artificio che creano migliaia di nuove particelle per un istante brevissimo.

Tra queste particelle, i fisici del gruppo LHCb stanno cercando qualcosa di estremamente raro e sfuggente: un "fantasma" chiamato decadimento $B^0_{(s)} \to J/\psi \gamma$.

1. Cosa stanno cercando? (Il Tesoro)

In parole povere, stanno cercando di vedere se una particella pesante chiamata mesone B (che è come un'auto da corsa molto pesante) può trasformarsi magicamente in due cose:

1. Una $J/\psi$ (una particella composta da un quark e un antiquark, come un "nucleo" stabile).
2. Un fotone (un raggio di luce, $\gamma$).

Secondo le regole attuali della fisica (il "Manuale di Istruzioni" dell'universo, chiamato Modello Standard), questo evento è come cercare di trasformare un'auto in una bicicletta e un raggio di sole contemporaneamente. È possibile, ma estremamente difficile. La teoria dice che succede pochissime volte su un miliardo di tentativi.

2. Come hanno cercato? (La Lente d'Ingrandimento)

I fisici hanno usato i dati raccolti dal 2011 al 2018 (chiamati "Run 1" e "Run 2"). È come se avessero guardato 9 miliardi di collisioni (un'integrazione di luminosità di 9 fb⁻¹).

Per trovare il "tesoro", hanno dovuto filtrare un'enorme quantità di "spazzatura":

• Il problema: Quando le particelle si scontrano, creano un caos incredibile. È come cercare un ago in un pagliaio, ma il pagliaio è fatto di milioni di altri aghi che sembrano quasi uguali.
• La soluzione: Hanno usato un filtro intelligente (chiamato BDT, un algoritmo di intelligenza artificiale) che agisce come un detective esperto. Questo detective sa esattamente come dovrebbe comportarsi il "fantasma" (il segnale) e scarta tutto il resto (i rumori di fondo).
• Il trucco: Hanno guardato anche i fotoni che si trasformano in coppie di elettroni e positroni all'interno del rivelatore. È come se il fotone lasciasse una "scia" visibile che aiuta a capire da dove viene, rendendo la ricerca più precisa.

3. Cosa hanno trovato? (Il Verdetto)

Dopo aver analizzato tutti i dati, i fisici hanno guardato il risultato finale con il fiato sospeso.

• La scoperta? Niente. Non hanno trovato il "fantasma".
• Il risultato: Hanno stabilito un limite superiore. Immagina di cercare un pesce raro in un oceano. Non lo hai visto, ma puoi dire con certezza: "Se questo pesce esiste, non può esserci più di 1 esemplare ogni 3 milioni di litri d'acqua".

In termini scientifici, hanno detto:

"La probabilità che questo evento accada è inferiore a 2,9 su un milione (per il mesone $B^0_s$) e 2,5 su un milione (per il mesone $B^0$)."

4. Perché è importante? (Il Significato)

Anche se non hanno trovato il "tesoro", questa ricerca è una vittoria enorme per due motivi:

1. Abbiamo migliorato la mappa: Il loro limite è 2,5 volte più stretto rispetto alla ricerca precedente. È come se prima avessimo detto "il tesoro è nascosto in tutto il continente europeo", e ora abbiamo detto "il tesoro è nascosto in questa specifica città". Questo costringe i teorici a rivedere le loro previsioni.
2. Abbiamo escluso una teoria: C'era una previsione teorica che diceva che questo evento sarebbe dovuto accadere più spesso (5 su un milione). Il loro risultato dice: "No, quella previsione è sbagliata". Hanno escluso quella possibilità con una certezza del 99,7%. È come se un meteorologo avesse detto "pioverà torrenzialmente" e invece il cielo fosse rimasto sereno; ora sappiamo che il modello del meteorologo aveva un errore.

In sintesi

I fisici del CERN hanno fatto una caccia al tesoro nell'universo delle particelle. Non hanno trovato il "tesoro" (il decadimento raro), ma hanno dimostrato che il "tesoro" è molto più raro di quanto pensassero alcuni teorici. Hanno affinato la loro lente d'ingrandimento, eliminato le teorie sbagliate e preparato il terreno per future scoperte.

È come se avessero detto: "Non abbiamo trovato l'alieno, ma abbiamo dimostrato con certezza che non è venuto a farci visita con quel vestito specifico. Ora dobbiamo cercare altrove!" 🌌🔍

Sommario tecnico

Titolo: Ricerca dei decadimenti $B^0_{(s)} \to J/\psi\gamma$ presso LHCb

1. Il Problema e il Contesto Fisico

Il documento presenta una ricerca dei rari decadimenti annichilazione pura radiativa $B^0_s \to J/\psi\gamma$ e $B^0 \to J/\psi\gamma$. Nel Modello Standard (SM), questi processi avvengono tramite lo scambio di un bosone $W$ tra il quark $b$ e un quark di sapore leggero.

• Stato teorico: Le previsioni teoriche per le frazioni di decadimento (branching fraction, BF) variano notevolmente a seconda del metodo di fattorizzazione utilizzato (da $1.5 \times 10^{-7}$ a $5 \times 10^{-6}$ per $B^0_s$). Per il decadimento soppresso di Cabibbo $B^0$, le previsioni sono almeno un ordine di grandezza inferiori.
• Nuova Fisica: Questi decadimenti sono sensibili a fenomeni oltre il Modello Standard, come la presenza di "charm intrinseco" nei mesoni $B$ o correnti destre (right-handed currents). Inoltre, l'osservazione permetterebbe di misurare la polarizzazione del fotone e l'asimmetria CP.
• Situazione sperimentale: Ad oggi, nessun esperimento ha osservato questi decadimenti. I limiti superiori più stringenti (90% CL) erano stati stabiliti da BaBar e dalla precedente analisi LHCb Run 1 ($7.3 \times 10^{-6}$ per $B^0_s$ e $1.5 \times 10^{-6}$ per $B^0$). Il limite per $B^0_s$ era già vicino al limite superiore delle previsioni teoriche.

2. Metodologia e Analisi

L'analisi utilizza i dati raccolti dall'esperimento LHCb durante le Run 1 (7 e 8 TeV) e Run 2 (13 TeV), corrispondenti a una luminosità integrata totale di 9 fb⁻¹.

• Ricostruzione del segnale:

  • I candidati $B^0_{(s)}$ sono ricostruiti attraverso il decadimento $J/\psi \to \mu^+\mu^-$.
  • Il fotone ($\gamma$) è identificato tramite la sua conversione in una coppia elettrone-positrone ($e^+e^-$) all'interno del rivelatore. Questo approccio migliora la risoluzione di massa e riduce i fondi.
  • I candidati sono divisi in due categorie in base al punto di conversione del fotone:
    1. Long (Lungo): Conversione precoce, con elettroni/positroni ricostruiti nel rivelatore di vertice (VE).
    2. Downstream (A valle): Conversione tardiva, con segmenti di traccia ricostruiti solo a valle del rivelatore di vertice.

• Selezione degli eventi:

  • Vengono applicati criteri di trigger hardware e software basati su muoni ad alto $p_T$.
  • Selezione offline su $p_T > 500$ MeV per i muoni, qualità della traccia e impatto rispetto al vertice primario (PV).
  • Vengono utilizzati due classificatori Boosted Decision Tree (BDT) distinti per le categorie Long e Downstream per sopprimere:
    • Il fondo combinatorio.
    • I decadimenti parzialmente ricostruiti (es. $B^0 \to J/\psi\pi^0$, $B^0_{(s)} \to J/\psi\eta$), che costituiscono il fondo fisico principale.

• Adattamento dei dati (Fitting):

  • Viene eseguita una fit di massima verosimiglianza (unbinned maximum-likelihood) simultanea sulle distribuzioni di massa invariante $m(J/\psi\gamma)$ per entrambe le categorie.
  • La forma del segnale è modellata con una funzione Crystal Ball modificata (DSCB).
  • I fondi sono modellati con funzioni ARGUS (per i decadimenti parziali) e polinomi di Bernstein (per il fondo combinatorio).
  • La normalizzazione del segnale è basata sul decadimento di controllo $B^0 \to J/\psi\pi^0$, utilizzando le frazioni di frammentazione $f_s/f_d$ e le efficienze di selezione calcolate tramite simulazione (Pythia, EvtGen, Geant4).

3. Contributi Chiave e Innovazioni

• Miglioramento della risoluzione: L'uso dei fotoni convertiti permette una risoluzione di massa significativamente migliore rispetto alle analisi precedenti che utilizzavano fotoni non convertiti.
• Gestione dei fondi: L'analisi ottimizza la soppressione dei fondi parzialmente ricostruiti ($B^0 \to J/\psi\pi^0$ e $B^0_{(s)} \to J/\psi\eta$) che si sovrappongono alla regione di massa del segnale.
• Aggiornamento dei parametri: Utilizzo di misurazioni recenti (es. Belle II per $B^0 \to J/\psi\pi^0$ e LHCb per $B \to J/\psi\eta$) per vincolare i parametri di normalizzazione, riducendo le incertezze sistematiche rispetto all'analisi Run 1.
• Analisi indipendente: Le ricerche per $B^0_s$ e $B^0$ sono condotte separatamente, assumendo l'assenza di contributo dell'altro canale durante il fit.

4. Risultati

Non è stata osservata alcuna evidenza significativa di segnale in nessuno dei due canali (la significatività è inferiore a $2\sigma$ per entrambi). Di conseguenza, sono stati stabiliti limiti superiori sulle frazioni di decadimento utilizzando il metodo CLs.

• Risultati per $B^0_s \to J/\psi\gamma$:

  • Frazione di decadimento misurata: $(1.34 \pm 0.78_{stat} \pm 0.33_{syst}) \times 10^{-6}$.
  • Limite superiore (90% CL): $\mathcal{B}(B^0_s \to J/\psi\gamma) < 2.9 \times 10^{-6}$.
  • Limite superiore (95% CL): $\mathcal{B}(B^0_s \to J/\psi\gamma) < 3.4 \times 10^{-6}$.

• Risultati per $B^0 \to J/\psi\gamma$:

  • Frazione di decadimento misurata: $(0.61 \pm 0.50_{stat} \pm 0.18_{syst}) \times 10^{-6}$.
  • Limite superiore (90% CL): $\mathcal{B}(B^0 \to J/\psi\gamma) < 2.6 \times 10^{-6}$.
  • Limite superiore (95% CL): $\mathcal{B}(B^0 \to J/\psi\gamma) < 3.5 \times 10^{-6}$.

• Incertezze: L'incertezza statistica è dominante (circa il 58% per $B^0_s$ e 82% per $B^0$), mentre l'incertezza sistematica totale è intorno al 25-29%. La principale fonte di sistematica per $B^0_s$ è la risoluzione di massa, mentre per $B^0$ è il modello del fondo parzialmente ricostruito.

5. Significato e Implicazioni

• Miglioramento rispetto al passato: Il limite per $B^0_s \to J/\psi\gamma$ è migliorato di un fattore 2.5 rispetto all'analisi precedente di LHCb (Run 1).
• Test del Modello Standard: Il limite ottenuto esclude la previsione basata sulla QCD perturbativa ($\mathcal{B} \approx 5 \times 10^{-6}$) a un livello di confidenza del 99.7% ($3\sigma$).
• Prospettive future: Sebbene i limiti attuali siano ancora superiori alle previsioni di alcuni modelli non perturbativi (es. $1.4 \times 10^{-6}$ o $7.2 \times 10^{-7}$), l'analisi dimostra che con dataset futuri più grandi (Run 3 e Run 4) sarà possibile raggiungere la sensibilità necessaria per osservare questi decadimenti o porre vincoli stringenti sulla nuova fisica.
• Conclusione: L'analisi conferma l'assenza di segnali significativi finora, ma stabilisce nuovi standard di precisione per la ricerca di questi rari processi di annichilazione, fornendo un banco di prova cruciale per la validazione degli schemi di fattorizzazione teorici e per la ricerca di deviazioni dal Modello Standard.