Observation of the charmless purely baryonic decay $\Lambda_b^{0} \to \Lambda p \bar{p}$ at LHCb

Utilizzando l'intero dataset Run 2 di LHCb, gli autori riportano la prima osservazione del decadimento puramente barionico privo di charm $\Lambda_b^{0} \to \Lambda p \bar{p}$, misurandone la frazione di decadimento relativa con una significatività statistica di $5.1\sigma$.

L'essenziale

🌌 La Caccia al "Fantasma" di Particelle: Una Storia di LHCb

Immagina l'universo come un gigantesco, caotico mercato dove miliardi di particelle si scontrano ogni secondo. In mezzo a questo caos, i fisici del laboratorio LHCb (situato al CERN, in Svizzera) sono come detective super-attrezzati che cercano un indizio specifico: un evento rarissimo che nessuno aveva mai visto prima.

1. Il "Crimine" Perfetto: Un Decadimento Impossibile?

Nella fisica delle particelle, le cose "muoiono" (decadono) trasformandosi in altre cose. Di solito, quando un atomo pesante (come il Lambda-b, o $\Lambda^0_b$) si rompe, lascia dietro di sé un "fantasma" chiamato charm (una particella strana).

Ma in questo esperimento, i detective hanno cercato un caso speciale: un decadimento "senza charm". È come se un ladro entrasse in una casa, rubasse tutto, ma non lasciasse mai la sua impronta digitale (il "charm") sul luogo del crimine. Inoltre, volevano vedere se questo decadimento produceva solo barioni (particelle fatte di tre quark, come protoni e neutroni), un gruppo molto raro da osservare insieme.

Il "sospettato" era la reazione: $\Lambda^0_b \rightarrow \Lambda + p + \bar{p}$.
In parole povere: un atomo pesante si spezza e lascia dietro di sé un atomo leggero (Lambda), un protone e il suo "gemello malvagio" (un antiprotone).

2. La Caccia: Come hanno trovato l'ago nel pagliaio?

I fisici hanno analizzato 6 anni di dati (2015-2018), un'enorme quantità di informazioni pari a 6 "femtobarn" (un'unità di misura che per noi è come dire "un oceano di dati").

Per trovare questo evento raro, hanno usato un trucco intelligente, come un detective che confronta un crimine sospetto con uno simile ma più comune:

• Il Caso Sospetto ($\Lambda^0_b \rightarrow \Lambda p \bar{p}$): Molto raro, difficile da vedere.
• Il Caso di Controllo ($\Lambda^0_b \rightarrow \Lambda K^+ K^-$): Molto più comune, facile da vedere.

Immagina di voler contare quanti pinguini ci sono in un oceano, ma è troppo buio per vederli tutti. Invece, conti quanti squali ci sono (che sono facili da vedere) e sai che, statisticamente, per ogni 100 squali c'è 1 pinguino. Confrontando i due, puoi stimare quanti pinguini ci sono senza doverli vedere tutti direttamente.

3. Il Risultato: "L'abbiamo visto!"

Dopo aver filtrato milioni di collisioni, eliminato i "rumori" di fondo e usato supercomputer per simulare cosa dovrebbe succedere, i detective hanno trovato il loro indizio.

• La Significatività: Hanno visto il segnale con una certezza del 5.1 sigma.

  • Cosa significa? Immagina di lanciare una moneta. Se esce "testa" 5 volte di fila, è strano. Se esce "testa" 5 volte di fila e sai che la moneta è truccata, è quasi certo. In fisica, "5 sigma" è il livello d'oro: significa che c'è meno di una probabilità su 3,5 milioni che questo sia stato solo un caso fortuito. È una scoperta ufficiale.

• Il Numero: Hanno misurato che questo evento raro accade circa 5 volte ogni 100 volte in cui il decadimento "di controllo" (quello con gli squali) avviene, in una specifica regione di energia.

4. Perché è importante?

Prima di questo studio, i fisici pensavano che certi tipi di decadimenti fossero quasi impossibili o non li avevano mai visti.

• La Scoperta: È la prima volta che osserviamo un decadimento di un barione (una particella fatta di tre quark) che non produce "charm".
• Il Futuro: Ora che sappiamo che questo "fantasma" esiste, possiamo studiarlo più da vicino. Potrebbe svelarci segreti su come funziona la materia, perché l'universo è fatto di materia e non di antimateria, e se ci sono violazioni delle simmetrie (il famoso "CP violation").

In Sintesi

I fisici di LHCb hanno guardato attraverso un microscopio gigante per anni, confrontando eventi rari con eventi comuni, e hanno finalmente gridato: "Ehi! Abbiamo trovato quel decadimento strano che nessuno aveva mai visto!". È come se avessero trovato una nuova specie di animale in una foresta che credevamo di conoscere già alla perfezione.

Ora, con i dati futuri (Run 3), potranno studiare questo animale ancora più da vicino per capire come si comporta e cosa ci dice sulle regole fondamentali della natura.

Sommario tecnico

Titolo: Osservazione del decadimento puramente barionico senza charm $\Lambda_b^0 \to \Lambda p \bar{p}$

1. Problema e Contesto Scientifico

I decadimenti puramente barionici degli adroni contenenti quark beauty (b) offrono un laboratorio unico per studiare la dinamica degli stati finali barionici multibody e per cercare effetti di violazione di CP in sistemi con una ricca struttura di spin.
Nonostante diversi decadimenti barionici dei mesoni B siano stati osservati negli ultimi anni, i decadimenti puramente barionici dei barioni B rimangono largamente inesplorati. Fino ad ora, gli unici modi puramente barionici stabiliti sperimentalmente sono stati $\Lambda_b^0 \to \Sigma_c^+ \bar{p} p$ e $\Lambda_b^0 \to \Sigma_c^{*+} \bar{p} p$, osservati dalla collaborazione LHCb nello studio di $\Lambda_b^0 \to \Lambda_c^+ \bar{p} \pi^-$.
L'obiettivo di questo lavoro è presentare la prima ricerca dedicata di un decadimento puramente barionico di un barione e la prima osservazione di un tale decadimento senza charm (charmless), specificamente il canale $\Lambda_b^0 \to \Lambda p \bar{p}$. I calcoli teorici prevedono un rapporto di decadimento dell'ordine di $10^{-6}$, con incertezze legate a effetti non fattorizzabili, elementi della matrice CKM e fattori di forma adronici.

2. Metodologia

L'analisi è stata condotta utilizzando l'intero set di dati della Run 2 del collisore LHC, raccolto dalla collaborazione LHCb tra il 2015 e il 2018, corrispondente a una luminosità integrata di 6.0 fb$^{-1}$.

• Ricostruzione e Categorie: Il barione $\Lambda$ è stato ricostruito attraverso il decadimento $\Lambda \to p \pi^-$. I candidati sono stati suddivisi in due categorie basate sulla posizione del vertice di decadimento del $\Lambda$:
  • Long (LL): Entrambi i prodotti di decadimento sono ricostruiti nel rivelatore di vertice.
  • Downstream (DD): Il $\Lambda$ decade fuori dall'acceptance del rivelatore di vertice (circa la metà dei candidati selezionati appartiene a questa categoria).
• Modalità di Normalizzazione: Per misurare il rapporto di decadimento, è stata utilizzata una modalità di normalizzazione topologicamente simile: $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$. L'uso di questa modalità riduce drasticamente le incertezze sistematiche nel rapporto.
• Selezione degli Eventi: La strategia di selezione combina trigger hardware e software, ricostruzione offline, pre-selezione, un classificatore multivariato XGBoost, requisiti di identificazione delle particelle (PID) e veto sugli adroni charm. È stato imposto un taglio sulla massa invariante $m(h^+h^-) < 2.85$ GeV per escludere la regione dei charmonia.
• Modellizzazione e Fit: Un fit di massima verosimiglianza esteso e non binnato è stato eseguito simultaneamente sugli spettri di massa invariante delle quattro combinazioni (segnale e normalizzazione per le categorie LL e DD).
  • I segnali sono modellati con funzioni Double-Sided Crystal Ball.
  • Il fondo combinatorio è descritto da funzioni esponenziali.
  • È stata inclusa una possibile componente di $\Xi_b^0 \to \Lambda p \bar{p}$, che apparirebbe circa 175 MeV sopra il picco del $\Lambda_b^0$.
• Efficienze: I rapporti di efficienza sono stati corretti per le differenze tra dati e simulazione (tracking, trigger, PID) e sono stati pesati in base alla distribuzione di Dalitz osservata nei dati (tramite la tecnica sPlot) per tenere conto della non uniformità dello spazio delle fasi.

3. Contributi Chiave

• Prima Osservazione: Questo lavoro rappresenta la prima osservazione sperimentale del decadimento puramente barionico senza charm $\Lambda_b^0 \to \Lambda p \bar{p}$.
• Analisi Simultanea: L'uso di un fit simultaneo su quattro canali (segnale/normalizzazione $\times$ categorie LL/DD) permette di estrarre il segnale con alta precisione.
• Correzione dello Spazio delle Fasi: L'implementazione di mappe di efficienza basate sulla distribuzione di Dalitz osservata nei dati, invece di assumere uno spazio delle fasi uniforme, ha dimostrato di essere cruciale, modificando i rapporti di efficienza del 14% rispetto alle assunzioni semplificate.
• Blind Analysis: Per evitare bias dell'operatore, i risultati non sono stati esaminati fino al completamento dell'intera procedura di selezione, modellizzazione e studio sistematico.

4. Risultati

• Significatività Statistica: È stato osservato un chiaro segnale $\Lambda_b^0 \to \Lambda p \bar{p}$. La significatività statistica è di 5.2$\sigma$ (calcolata sul test del rapporto di verosimiglianza). Considerando le incertezze sistematiche, la significatività totale è di 5.1$\sigma$, superando la soglia di scoperta.
• Conteggi: Il fit simultaneo ha restituito:
  • $N(\Lambda_b^0 \to \Lambda p \bar{p}) = 39.3 \pm 9.7$
  • $N(\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-) = 640 \pm 31$
• Rapporto di Ramificazione Relativo: Il rapporto di decadimento relativo è stato misurato come:
  $$R_{\Lambda_b^0} = \frac{\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to \Lambda p \bar{p})}{\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-)} = (5.13 \pm 1.28_{\text{stat}} \pm 0.27_{\text{syst}}) \times 10^{-2}$$
  Questo risultato è valido nella regione $m(h^+h^-) < 2.85$ GeV.
• Incertezze Sistematiche: L'incertezza sistematica totale è del 5.3%. Le fonti dominanti sono l'efficienza di tracciamento (4.3%), la modellizzazione del fit (2.8%) e la dimensione limitata dei campioni simulati (1.0%).
• Ricerca di $\Xi_b^0$: È stato osservato un piccolo eccesso per il decadimento $\Xi_b^0 \to \Lambda p \bar{p}$ con una significatività di 2.3$\sigma$. Non è stato possibile stabilire un rapporto di decadimento o un limite superiore a causa della mancanza di una determinazione dedicata dell'efficienza per questo canale e della conoscenza del frazionamento di adronizzazione relativo tra $\Xi_b^0$ e $\Lambda_b^0$.

5. Significato e Prospettive

Questa analisi costituisce una pietra miliare nella fisica degli adroni pesanti, aprendo la strada allo studio dettagliato dei decadimenti puramente barionici senza charm. La misurazione del rapporto di decadimento fornisce un punto di riferimento cruciale per confrontare i dati con le previsioni teoriche, che attualmente includono grandi incertezze.
I futuri dati della Run 3 di LHCb, con dataset più grandi, permetteranno:

1. Studi più dettagliati sugli spettri di massa invariante a due corpi.
2. La ricerca di asimmetrie di violazione di CP (CPV) in questo sistema.
3. Una ricerca più sensibile e potenzialmente un'osservazione del modo correlato $\Xi_b^0 \to \Lambda p \bar{p}$.

In sintesi, il lavoro conferma la fattibilità di osservare decadimenti barionici rari e complessi, fornendo nuovi dati sperimentali per affinare i modelli teorici delle interazioni forti e deboli in sistemi barionici.