Flavour changing charged current decays at LHCb

Questo lavoro presenta tre recenti risultati di LHCb sui decadimenti a corrente carica con cambiamento di sapore: la prima misura del rapporto dei fattori di ramificazione $\mathcal{R}(D^{**})$ utilizzando $B^{-} \to D^{**0} \tau^{-} \bar{\nu}_{\tau}$, la determinazione del fattore di ramificazione per $\Lambda \to p \mu^{-} \bar{\nu}_{\mu}$ e l'estrazione dei parametri del fattore di forma dai decadimenti $B^0 \to D^{*-} \mu^{+} \nu_{\mu}$.

L'essenziale

Immagina che l'universo sia costruito su un insieme di regole rigorose, come un grande libro di ricette cosmiche chiamato Modello Standard. Una delle regole più importanti di questo libro è l'Universalità del Sapore dei Leptoni. Pensa a questa regola come a un buttafuori severo in un club che tratta ogni ospite esattamente allo stesso modo, indipendentemente dal suo nome. In fisica, gli "ospiti" sono particelle chiamate leptoni (nello specifico elettroni, muoni e particelle tau). La regola dice: "Se sei un muone o un tau, interagisci con le particelle che trasportano la forza (i 'bosoni di gauge') esattamente allo stesso modo in cui lo fa un elettrone, tranne per il fatto che potresti essere più pesante."

Se il buttafuori inizia a trattare un ospite pesante diversamente da uno leggero, questo è un enorme indizio che esiste un libro di regole segreto e nascosto (Nuova Fisica) che non abbiamo ancora scoperto.

L'esperimento LHCb al CERN è come una troupe di cinepresa ad alta velocità che cerca di catturare queste particelle mentre infrangono le regole. Si concentrano su particelle pesanti contenenti un quark "bottom" (adroni b) mentre decadono, o si frantumano. Ecco una panoramica delle tre storie principali che questo articolo racconta, utilizzando analogie semplici:

1. Il Controllo dei "Pesanti": $R(D^{**})$

Lo Scenario:
Di solito, quando gli scienziati misurano quanto spesso una particella bottom si trasforma in una particella tau rispetto a un muone (per verificare se il buttafuori è equo), osservano risultati specifici e ben noti. Tuttavia, a volte la particella bottom decade in uno stato intermedio "disordinato" che coinvolge versioni eccitate di altre particelle (chiamate risonanze $D^{**}$). Queste sono come il "rumore di fondo" o la "folla" che solitamente ostacola la misurazione principale.

La Scoperta:
Invece di ignorare questo rumore, il team di LHCb ha deciso di misurarlo direttamente per la prima volta. Hanno osservato un decadimento specifico in cui una particella bottom si trasforma in una particella eccitata ($D^{**}$) e un tau.

• L'Analogia: Immagina di provare a contare quante persone entrano in una stanza VIP, ma c'è un corridoio laterale dove le persone si stanno anche vestendo. Di solito, ignori il corridoio laterale. Qui, il team è entrato nel corridoio laterale, ha contato le persone e ha trovato 123 eventi specifici.
• Il Risultato: Hanno scoperto che questo decadimento del "corridoio laterale" avviene circa il 13% delle volte rispetto alla versione muonica dello stesso decadimento. Questo corrisponde perfettamente alla previsione del Modello Standard. È come confermare che, anche nel corridoio laterale disordinato e affollato, il buttafuori sta ancora trattando tutti equamente.

2. Il Test "Lambda": $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$

Lo Scenario:
Il team ha osservato anche un diverso tipo di particella chiamata barione "Lambda" (un cugino pesante del protone). Volevano vedere quanto spesso questa particella decade in un protone e un muone rispetto a quanto spesso decade in un protone e un elettrone.

• L'Analogia: Pensa alla particella Lambda come a una macchina di fabbrica che può produrre due tipi di prodotti: "Muoni" o "Elettroni". Il Modello Standard prevede che la macchina produca Muoni circa il 15% delle volte rispetto agli Elettroni.
• La Scoperta: Utilizzando dati dal 2016 al 2018, il team ha contato i prodotti che uscivano dalla catena di montaggio. Hanno scoperto che la macchina produce Muoni a un tasso di circa il 17,5% rispetto agli Elettroni.
• Il Risultato: Questa è una misurazione molto precisa (due volte più accurata del precedente record migliore). Il risultato è compatibile con il Modello Standard, il che significa che la macchina di fabbrica sta funzionando esattamente come dice il libro di ricette. Aiuta anche gli scienziati a verificare l'"unitarietà" della matrice CKM (un controllo matematico per assicurarsi che la matematica del mescolamento delle particelle sommi al 100%).

3. L'Analisi del "Mutaforma": $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$

Lo Scenario:
In questa terza storia, il team non ha solo contato quanto spesso avviene un decadimento; ha osservato come avviene. Quando una particella $B^0$ decade in una particella $D^*$ e un muone, le particelle volano via ad angoli specifici.

• L'Analogia: Immagina di lanciare un trottola. Puoi descrivere il lancio in base a quanto velocemente gira, in che direzione si inclina e l'angolo del lancio. In fisica, questi sono chiamati "angoli" e "fattori di forma" (che descrivono la forma e la struttura interna delle particelle).
• La Scoperta: Il team ha utilizzato una quantità enorme di dati (3,0 fb$^{-1}$) per mappare questi angoli in cinque dimensioni diverse contemporaneamente. Hanno testato tre diversi "progetti" matematici (chiamati BGL, CLN e BLPR) per vedere quale descrive meglio la forma del decadimento.
• Il Risultato: Tutti e tre i progetti erano d'accordo tra loro e con le simulazioni al computer più avanzate (QCD reticolare). Il team ha estratto i "fattori di forma" con precisione migliorata. È come creare un modello 3D del decadimento che è più nitido e chiaro di qualsiasi modello realizzato prima.

Il Quadro Generale

L'articolo conclude che l'esperimento LHCb sta svolgendo un ruolo cruciale nello sforzo globale per comprendere la fisica delle particelle. Misurando questi decadimenti rari e controllando angoli e tassi, stanno confermando che il Modello Standard regge forte.

• Hanno trovato la prima evidenza di un decadimento specifico del "corridoio laterale" ($D^{**}$).
• Hanno stabilito un nuovo record mondiale per la misurazione di un decadimento Lambda specifico.
• Hanno creato la mappa più dettagliata finora di come una particella $B^0$ gira e si frantuma.

Finora, il "buttafuori" sta ancora trattando tutti equamente e le "macchine di fabbrica" stanno funzionando esattamente come prevede il libro di ricette. Non è stata trovata nuova fisica in queste misurazioni specifiche, ma la precisione di queste misurazioni è essenziale per individuare le piccole crepe nel libro di regole che potrebbero apparire in esperimenti futuri.

Sommario tecnico

1. Enunciato del Problema e Motivazione

Il Modello Standard (SM) prevede l'Universalità del Sapore Leptonico (LFU), affermando che i bosoni di gauge elettrodeboli si accoppiano universalmente a tutti i leptoni carichi ($e, \mu, \tau$), con differenze che derivano esclusivamente dalle masse dei leptoni. Qualsiasi deviazione da questo principio segnalerebbe una Nuova Fisica (NP).

Le recenti misurazioni di Belle, BaBar e LHCb hanno rivelato tensioni con le previsioni del SM in:

• Rapporti LFU: $R(D)$ e $R(D^*)$ mostrano una discrepanza di $\sim 3.8\sigma$ tra le previsioni del SM e le medie sperimentali.
• Elementi della Matrice CKM: Esistono discrepanze di $2\text{--}3\sigma$ tra i valori di $|V_{ub}|$ e $|V_{cb}|$ estratti dai decadimenti esclusivi rispetto a quelli inclusivi degli adroni $b$.

I decadimenti semileptonici degli adroni $b$ sono ideali per testare queste anomalie grazie alle loro grandi frazioni di decadimento e agli elementi di matrice adronici teoricamente puliti (dominati da diagrammi a livello albero). Questo lavoro presenta tre analisi specifiche che affrontano i fondi, i decadimenti degli iperoni e le estrazioni dei fattori di forma per affinare questi test.

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2. Metodologia e Contributi Chiave

Il lavoro descrive tre analisi distinte eseguite utilizzando i dati di LHCb raccolti tra il 2011 e il 2018.

A. Misura del Rapporto delle Frazioni di Decadimento $R(D^{**})$

• Contesto: Nelle misurazioni di $R(D^*)$ utilizzando decadimenti adronici del $\tau$, i decadimenti in risonanze di mesoni charm eccitati superiori ($D^{**}$) costituiscono un fondo significativo ($\sim 3.5\%$).
• Obiettivo: Eseguire la prima misura del rapporto $R(D^{**}_{1,2})$ per vincolare questo fondo e testare la LFU nel settore $D^{**}$.
• Metodologia:
  • Set di dati: $9 \text{ fb}^{-1}$ (2011–2018).
  • Canale di segnale: $B^- \to D^{**0} \tau^- \bar{\nu}_\tau$, dove $D^{**0}$ si riferisce alla somma degli stati stretti $D_1(2420)^0$ e $D_2(2460)^0$ (collettivamente $D^{**0}_{1,2}$), e il $\tau$ decade adronicamente.
  • Normalizzazione: $B^- \to D^{**0}_{1,2} D_s^-$ (rapporto di decadimento preso da una precedente analisi di ampiezza di LHCb).
  • Tecnica di Analisi: Un fit a template binnato tridimensionale utilizzando:
    1. Differenza di massa $\Delta m = m(D^{**0}) - m(D^{*+})$.
    2. Massa invariante del sistema leptonico $q^2$.
    3. Output di una Boosted Decision Tree (BDT) addestrata per rifiutare i fondi $D_s$.
• Contributo Chiave: Prima evidenza per il modo di decadimento $B^- \to D^{**0}_{1,2} \tau^- \bar{\nu}_\tau$.

B. Misura della Frazione di Decadimento $\mathcal{B}(\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu)$

• Contesto: I decadimenti semileptonici degli iperoni (transizione $s \to u$) sono sensibili ai contributi scalari e tensoriali della NP. Permettono inoltre la determinazione di $|V_{us}|$ per testare l'unitarietà della CKM.
• Obiettivo: Misurare la frazione di decadimento di $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ per migliorare la precisione rispetto ai risultati precedenti e calcolare il rapporto LFU $R_{\mu/e}$.
• Metodologia:
  • Set di dati: $5.4 \text{ fb}^{-1}$ (2016–2018).
  • Normalizzazione: $\Lambda \to p \pi^-$ (frazione di decadimento nota $\approx 0.641$).
  • Tecnica di Analisi:
    • Estrazione del segnale tramite un fit di massima verosimiglianza binnato in bin di massa corretta $m_{\text{corr}}(p\pi)$ e massa invariante $m(p\pi)$.
    • Il fit utilizza uno schema di binnatura su piano 2D per separare il segnale dal fondo.
• Contributo Chiave: Una misura di precisione leader mondiale della frazione di decadimento $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$, che migliora la precisione di un fattore due rispetto a BESIII.

C. Estrazione dei Parametri dei Fattori di Forma in $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$

• Contesto: Il tasso di decadimento differenziale di $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$ dipende dagli angoli di decadimento ($\theta_D, \theta_\ell, \chi$) e da $q^2$, rendendolo sensibile alla NP.
• Obiettivo: Estrarre i parametri dei fattori di forma adronici utilizzando un'analisi angolare multidimensionale.
• Metodologia:
  • Set di dati: $3.0 \text{ fb}^{-1}$ (2011–2012).
  • Tecnica di Analisi: Un fit binnato a cinque dimensioni a:
    1. Tre angoli di decadimento ($\theta_D, \theta_\ell, \chi$).
    2. Trasferimento di impulso al quadrato ($q^2$).
    3. Massa invariante mancante al quadrato ($m^2_{\text{miss}}$).
  • Modelli: L'analisi assume tre parametrizzazioni dei fattori di forma: BGL (Boyd-Grinstein-Lebed), CLN (Caprini-Lellouch-Neubert) e BLPR.
  • Ottimizzazione: Il Criterio di Informazione Bayesiano (BIC) è utilizzato per ottimizzare l'ordine di troncamento della serie dei coefficienti BGL.
• Contributo Chiave: La prima analisi angolare di LHCb di questo modo, fornendo parametri dei fattori di forma con precisione migliorata e verificando i vincoli di unitarietà.

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3. Risultati

1. Misura di $R(D^{**}_{1,2})$:

   • Rendimento del segnale: $123 \pm 23$ eventi.
   • Significatività: $3.5\sigma$ (Prima evidenza per questo decadimento).
   • Frazione di decadimento visibile: $\mathcal{B}(B^- \to D^{**0}_{1,2} \tau^- \bar{\nu}_\tau) \times \mathcal{B}(D^{**0}_{1,2} \to D^{*+}\pi^-) = (5.1 \pm 1.7) \times 10^{-4}$.
   • Rapporto LFU: $R(D^{**}_{1,2}) = 0.13 \pm 0.04$.
   • Conclusione: Coerente con la previsione del SM di $0.09 \pm 0.02$.

2. Frazione di decadimento $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$:

   • Valore misurato: $\mathcal{B}(\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu) = (1.46 \pm 0.10) \times 10^{-4}$ (Incertezza totale 6.9%).
   • Rapporto LFU ($R_{\mu/e}$): Calcolato utilizzando il valore del modo elettronico dalla letteratura: $R_{\mu/e} = 0.175 \pm 0.012$.
   • Conclusione: Compatibile con la previsione del SM di $0.153 \pm 0.008$.

3. Parametri dei Fattori di Forma ($B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$):

   • I valori dei fattori di forma misurati sono coerenti tra i modelli BGL, CLN e BLPR.
   • I risultati concordano con i recenti calcoli della QCD su reticolo.
   • I parametri BGL soddisfano i vincoli di unitarietà e l'analisi raggiunge una precisione migliorata rispetto alle misurazioni precedenti.

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4. Significato

• Controllo dei Fondi: La prima misura di $R(D^{**})$ fornisce vincoli cruciali sui fondi per le misurazioni di $R(D^*)$, aiutando a chiarire l'origine delle attuali anomalie LFU.
• Fisica di Precisione degli Iperoni: Il risultato per $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ rappresenta la determinazione più precisa a oggi, offrendo una nuova sonda indipendente per $|V_{us}|$ e la NP nel settore $s \to u$.
• Validazione Teorica: L'analisi angolare di $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$ valida la coerenza delle diverse parametrizzazioni dei fattori di forma e degli input della QCD su reticolo, rafforzando il quadro teorico utilizzato per interpretare le transizioni $b \to c$.
• Impatto Complessivo: Questi risultati confermano il ruolo centrale di LHCb nel programma di fisica dei sapori, fornendo dati complementari alle fabbriche di B (Belle/BaBar) e stringendo i vincoli su potenziali scenari di Nuova Fisica.