Search for the decays B(c)+→μ+νμγ
Utilizzando dati di collisioni protone-protone raccolti dall'esperimento LHCb, questo articolo riporta la prima ricerca dei decadimenti leptonici radiativi B+→μ+νμγ e Bc+→μ+νμγ in un collisionatore di adroni, non trovando evidenze per questi processi e stabilendo limiti superiori sulle loro frazioni di ramificazione.
Autori originali: LHCb collaboration, R. Aaij, M. Abdelfatah, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson, C. Agapopoulou, C. A. Aidala, S. Akar, K. Akiba, H. Al Saleh, P. Albicocco, J. Albrecht, R. Aleksiejunas, F. Alessio, P. Alvarez Cartelle, S. Amato, J. L. Amey, Y. Amhis, Z. Amos, L. An, L. Anderlini, M. Andersson, P. Andreola, M. Andreotti, S. Andres Estrada, A. Anelli, D. Ao, C. Arata, F. Archilli, Z. Areg, M. Argenton, S. Arguedas Cuendis, L. Arnone, M. Artuso, E. Aslanides, R. Ataíde Da Silva, M. Atzeni, B. Audurier, J. A. Authier, D. Bacher, I. Bachiller Perea, S. Bachmann, M. Bachmayer, J. J. Back, Z. B. Bai, V. Balagura, A. Balboni, W. Baldini, Z. Baldwin, L. Balzani, H. Bao, J. Baptista de Souza Leite, C. Barbero Pretel, M. Barbetti, I. R. Barbosa, R. J. Barlow, M. Barnyakov, S. Baron, S. Barsuk, W. Barter, J. Bartz, S. Bashir, B. Batsukh, P. B. Battista, A. Bavarchee, A. Bay, A. Beck, M. 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Jawahery, C. Jayaweera, A. Jelavic, V. Jevtic, Z. Jia, E. Jiang, X. Jiang, Y. Jiang, Y. J. Jiang, E. Jimenez Moya, N. Jindal, M. John, A. John Rubesh Rajan, D. Johnson, C. R. Jones, S. Joshi, B. Jost, J. Juan Castella, N. Jurik, I. Juszczak, K. Kalecinska, D. Kaminaris, S. Kandybei, M. Kane, Y. Kang, C. Kar, M. Karacson, A. Kauniskangas, J. W. Kautz, M. K. Kazanecki, F. Keizer, M. Kenzie, T. Ketel, B. Khanji, S. Kholodenko, G. Khreich, F. Kiraz, T. Kirn, V. S. Kirsebom, N. Kleijne, A. Kleimenova, D. Klekots, K. Klimaszewski, M. R. Kmiec, T. Knospe, R. Kolb, S. Koliiev, L. Kolk, A. Konoplyannikov, P. Kopciewicz, P. Koppenburg, A. Korchin, I. Kostiuk, O. Kot, S. Kotriakhova, E. Kowalczyk, O. Kravcov, M. Kreps, W. Krupa, W. Krzemien, O. Kshyvanskyi, S. Kubis, M. Kucharczyk, A. Kupsc, V. Kushnir, B. Kutsenko, J. Kvapil, I. Kyryllin, D. Lacarrere, P. Laguarta Gonzalez, A. Lai, A. Lampis, D. Lancierini, C. Landesa Gomez, G. Lanfranchi, C. Langenbruch, T. Latham, F. Lazzari, C. Lazzeroni, R. 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Marangotto, J. F. Marchand, R. Marchevski, U. Marconi, E. Mariani, S. Mariani, C. Marin Benito, J. Marks, A. M. Marshall, L. Martel, G. Martelli, G. Martellotti, L. Martinazzoli, M. Martinelli, C. Martinez, D. Martinez Gomez, D. Martinez Santos, F. Martinez Vidal, A. Martorell i Granollers, A. Massafferri, R. Matev, A. Mathad, C. Matteuzzi, K. R. Mattioli, L. Matzner, A. Mauri, E. Maurice, J. Mauricio, P. Mayencourt, J. Mazorra de Cos, M. Mazurek, D. Mazzanti Tarancon, M. McCann, N. T. McHugh, A. McNab, R. McNulty, B. Meadows, S. E. R. Medaer, D. Melnychuk, D. Mendoza Granada, P. Menendez Valdes Perez, F. M. Meng, M. Merk, A. Merli, L. Meyer Garcia, D. Miao, H. Miao, M. Mikhasenko, D. A. Milanes, A. Minotti, E. Minucci, B. Mitreska, D. S. Mitzel, R. Mocanu, A. Modak, L. Moeser, R. D. Moise, E. F. Molina Cardenas, T. Mombächer, M. Monk, T. Monnard, S. Monteil, A. Morcillo Gomez, G. Morello, M. J. Morello, M. P. Morgenthaler, A. Moro, J. Moron, W. Morren, A. B. Morris, A. G. Morris, R. Mountain, Z. Mu, N. Muangkod, E. Muhammad, F. Muheim, M. Mulder, K. Müller, F. Muñoz-Rojas, V. Mytrochenko, P. Naik, T. Nakada, R. Nandakumar, G. Napoletano, I. Nasteva, M. Needham, N. Neri, S. Neubert, N. Neufeld, J. Nicolini, D. Nicotra, E. M. Niel, L. Nisi, Q. Niu, B. K. Njoki, P. Nogarolli, P. Nogga, J. Nombela Royo, C. Normand, J. Novoa Fernandez, G. Nowak, H. N. Nur, A. Oblakowska-Mucha, T. Oeser, O. Okhrimenko, R. Oldeman, F. Oliva, E. Olivart Pino, M. Olocco, R. H. O'Neil, J. S. Ordonez Soto, D. Osthues, J. M. Otalora Goicochea, P. Owen, A. Oyanguren, O. Ozcelik, F. Paciolla, A. Padee, K. O. Padeken, B. Pagare, T. Pajero, A. Palano, L. Palini, M. Palutan, C. Pan, X. Pan, S. Panebianco, S. Paniskaki, L. Paolucci, A. Papanestis, M. Pappagallo, L. L. Pappalardo, C. Pappenheimer, C. Parkes, D. Parmar, G. Passaleva, D. Passaro, A. Pastore, M. Patel, J. Patoc, C. Patrignani, A. Paul, C. J. Pawley, A. Pellegrino, J. Peng, X. Peng, M. Pepe Altarelli, S. Perazzini, H. Pereira Da Costa, M. Pereira Martinez, A. Pereiro Castro, C. Perez, P. Perret, A. Perrevoort, A. Perro, M. J. Peters, K. Petridis, A. Petrolini, S. Pezzulo, J. P. Pfaller, H. Pham, L. Pica, M. Piccini, L. Piccolo, B. Pietrzyk, R. N. Pilato, D. Pinci, F. Pisani, M. Pizzichemi, V. M. Placinta, M. Plo Casasus, T. Poeschl, F. Polci, M. Poli Lener, A. Poluektov, I. Polyakov, E. Polycarpo, S. Ponce, D. Popov, K. Popp, K. Prasanth, C. Prouve, D. Provenzano, V. Pugatch, A. Puicercus Gomez, G. Punzi, J. R. Pybus, Q. Qian, W. Qian, N. Qin, R. Quagliani, R. I. Rabadan Trejo, B. Rachwal, R. Racz, J. H. Rademacker, M. Rama, M. Ramírez García, V. Ramos De Oliveira, M. Ramos Pernas, G. Ramsey, M. S. Rangel, G. Raven, M. Rebollo De Miguel, F. Redi, J. Reich, F. Reiss, Z. Ren, P. K. Resmi, M. Ribalda Galvez, R. Ribatti, G. Ricart, D. Riccardi, S. Ricciardi, K. Richardson, M. Richardson-Slipper, F. Riehn, K. Rinnert, P. Robbe, G. Robertson, E. Rodrigues, A. Rodriguez Alvarez, E. Rodriguez Fernandez, J. A. Rodriguez Lopez, E. Rodriguez Rodriguez, J. Roensch, A. Rogovskiy, D. L. Rolf, P. Roloff, V. Romanovskiy, A. Romero Vidal, G. Romolini, F. Ronchetti, T. Rong, W. Rose, M. Rotondo, M. S. Rudolph, M. Ruiz Diaz, J. Ruiz Vidal, J. Ruz Armendariz, J. J. Saavedra-Arias, J. J. Saborido Silva, D. Sahoo, N. Sahoo, B. Saitta, M. Salomoni, I. Sanderswood, R. Santacesaria, C. Santamarina Rios, M. Santimaria, L. Santoro, E. Santovetti, A. Saputi, A. Sarnatskiy, G. Sarpis, M. Sarpis, C. Satriano, A. Satta, M. Saur, H. Sazak, F. Sborzacchi, A. Scarabotto, S. Schael, S. Scherl, M. Schiller, H. Schindler, M. Schmelling, B. Schmidt, N. Schmidt, S. Schmitt, H. Schmitz, O. Schneider, A. Schopper, N. Schulte, H. Schumacher, M. H. Schune, G. Schwering, B. Sciascia, A. Sciuccati, G. Scriven, I. Segal, S. Sellam, M. Senghi Soares, A. Sergi, N. Serra, L. Sestini, B. Sevilla Sanjuan, Y. Shang, D. M. Shangase, R. S. Sharma, L. Shchutska, T. Shears, J. Shen, Z. Shen, S. Sheng, B. Shi, J. Shi, Q. Shi, W. S. Shi, E. Shmanin, R. Silva Coutinho, G. Simi, S. Simone, M. Singha, I. Siral, N. Skidmore, T. Skwarnicki, M. W. Slater, E. Smith, M. Smith, L. Soares Lavra, M. D. Sokoloff, F. J. P. Soler, A. Solomin, K. Solovieva, N. S. Sommerfeld, R. Song, Y. Song, Y. Song, Y. S. Song, F. L. Souza De Almeida, G. Souza De Castro, B. Souza De Paula, K. M. Sowa, E. Spadaro Norella, E. Spedicato, J. G. Speer, P. Spradlin, F. Stagni, M. Stahl, S. Stahl, S. Stanislaus, M. Stefaniak, O. Steinkamp, F. Suljik, J. Sun, L. Sun, M. Sun, D. Sundfeld, P. Svihra, V. Svintozelskyi, K. Swientek, F. Swystun, A. Szabelski, T. Szumlak, Y. Tan, Y. Tang, Y. T. Tang, M. D. Tat, J. A. Teijeiro Jimenez, F. Terzuoli, F. Teubert, E. Thomas, D. J. D. Thompson, A. R. Thomson-Strong, H. Tilquin, V. Tisserand, S. T'Jampens, M. Tobin, T. T. Todorov, L. Tomassetti, G. Tonani, X. Tong, T. Tork, L. Toscano, D. Y. Tou, C. Trippl, G. Tuci, N. Tuning, L. H. Uecker, A. Ukleja, A. Upadhyay, B. Urbach, A. Usachov, U. Uwer, V. Vagnoni, A. 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Wilkinson, M. Williams, M. J. Williams, M. R. J. Williams, R. Williams, S. Williams, Z. Williams, F. F. Wilson, M. Winn, W. Wislicki, M. Witek, L. Witola, T. Wolf, E. Wood, G. Wormser, S. A. Wotton, H. Wu, J. Wu, X. Wu, Y. Wu, Z. Wu, K. Wyllie, S. Xian, Z. Xiang, Y. Xie, T. X. Xing, A. Xu, L. Xu, M. Xu, R. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, S. Yadav, K. Yang, X. Yang, Y. Yang, Y. Yang, Z. Yang, Z. Yang, H. Yeung, H. Yin, X. Yin, C. Y. Yu, J. Yu, K. Yu, X. Yuan, Y Yuan, J. A. Zamora Saa, F. Zangari, M. Zavertyaev, M. Zdybal, F. Zenesini, C. Zeng, M. Zeng, S. H Zeng, C. Zhang, C. Zhang, D. Zhang, J. Zhang, L. Zhang, Q. Z. Zhang, R. Zhang, S. Zhang, S. L. Zhang, Y. Zhang, Z. Zhang, J. Zhao, Y. Zhao, A. Zhelezov, S. Z. Zheng, X. Z. Zheng, Y. Zheng, T. Zhou, X. Zhou, V. Zhovkovska, L. Z. Zhu, X. Zhu, X. Zhu, Y. Zhu, V. Zhukov, J. Zhuo, D. Zuliani, G. Zunica, X. Zuo
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo
Immaginate l'universo come un gigantesco acceleratore di particelle ad alta velocità, una macchina da flipper cosmica dove gli scienziati fanno scontrare protoni a energie di 13 TeV per vedere quali minuscoli ed esotici pezzi volino fuori. L'esperimento LHCb al CERN è come una fotocamera super precisa impostata per catturare questi fugaci momenti. In questo ultimo "scatto" di 5,4 fb⁻¹ di dati (una quantità enorme di storia di collisioni), il team è andato alla ricerca di due tipi di decadimento molto specifici e molto rari: il mesone B+ e il mesone B+c che si trasformano in un muone, un neutrino e un fotone (una particella di luce).
Pensate a questi mesoni come a particelle "genitrici" instabili e pesanti che di solito decadono in figli prevedibili. Ma gli scienziati stavano cercando un decadimento "fantasma" dove il genitore scompare, lasciando dietro di sé un muone (un cugino pesante dell'elettrone), un neutrino (una particella fantasma che interagisce appena con tutto) e un singolo lampo di luce. Questo specifico decadimento è come un trucco di magia: il genitore scompare, e le uniche tracce rimaste sono un elettrone pesante, un fantasma e un fotone.
La Grande Caccia al Fantasma
Il team ha allestito una trappola sofisticata. Poiché i neutrini sono invisibili e volano via senza lasciare traccia, gli scienziati non potevano semplicemente cercare la parte mancante. Invece, hanno cercato un modo intelligente per aggirare il problema: hanno aspettato che il fotone si scontrasse con il materiale del rilevatore e si dividesse in una coppia elettrone-positrone. Questo ha fornito loro tre tracce (il muone e i due elettroni) per ricostruire la "scena del crimine" e capire dove è avvenuto il decadimento, anche con il neutrino mancante. Hanno utilizzato potenti algoritmi informatici (come XGBoost, un tipo di intelligenza artificiale) per filtrare i milioni di eventi "falsi" che sembravano simili ma erano solo rumore di fondo.
Il Risultato: Nessun Tesoro Trovato (Ancora)
Dopo aver setacciato i dati, il risultato è stato un po' un "insuccesso", ma scientificamente importante. Il team non ha trovato alcuna prova di un eccesso di questi rari decadimenti. In altre parole, non hanno trovato il tesoro che stavano cercando. Il numero di eventi che hanno visto corrisponde esattamente a quanto previsto dal rumore di fondo.
Poiché non hanno trovato le particelle, non hanno potuto misurare quanto spesso questo accada. Inveve, hanno stabilito un "tetto massimo" su quanto comune possa essere. Sono sicuri al 90% che:
- Il mesone B+ decade in questo modo meno di 4,0 × 10⁻⁶ volte (ovvero meno di 4 volte su un milione).
- Il mesone B+c decade in questo modo meno di 1,6 × 10⁻³ volte (ovvero meno di 16 volte su diecimila).
Questi sono i limiti superiori rigorosi. Se il decadimento avviene, deve essere più raro di questi limiti.
Perché Questo è Importante
Anche se non hanno trovato il decadimento, questo è un grande affare per due ragioni. In primo luogo, questa è la prima volta che qualcuno cerca questi specifici decadimenti in un collisionatore di adroni (una macchina che fa scontrare protoni). Prima di allora, solo altri tipi di esperimenti ci avevano provato, e avevano stabilito limiti leggermente diversi. In secondo luogo, questa è la prima volta che qualcuno ha mai investigato il decadimento B+c → µ+νµγ.
L'articolo sostiene che trovare questo decadimento sarebbe un biglietto d'oro per comprendere una proprietà misteriosa della "ampiezza di distribuzione sulla luce" (LCDA) del mesone B. Pensate alla LCDA come a un progetto di come i piccoli quark all'interno del mesone si stiano muovendo. Gli scienziati hanno un parametro chiamato λB (lambda-B) che descrive l'impulso tipico del quark leggero all'interno, ma nessuno conosce il suo valore esatto — si stima sia compreso tra 200 e 600 MeV. Se avessero potuto misurare questo decadimento, avrebbero potuto fissare quel progetto. Poiché non lo hanno trovato, non possono ancora fissare il progetto, ma hanno avuto successo nel escludere la possibilità che il decadimento sia comune.
In Breve
L'articolo esclude esplicitamente l'idea che questi decadimenti stiano avvenendo con una frequenza tale da essere facilmente individuabili con gli attuali dati. Non prova che il decadimento esista, né prova che non esista; dice semplicemente: "Se sta accadendo, si sta nascondendo molto bene, più raro dei nostri attuali limiti". Gli autori suggeriscono che con l'aggiornamento del rilevatore LHCb e più dati in futuro (Run 3), potrebbero finalmente scorgere un accenno di questo elusivo fantasma. Per ora, la ricerca continua e l'universo tiene i suoi segreti un po' più stretti.
Sintesi Tecnica: Ricerca dei decadimenti B(c)+→μ+νμγ
Problema e Motivazione
I test di precisione del Modello Standard (SM) nel settore della flavor sono spesso limitati dalle incertezze adroniche, in particolare dagli effetti della cromodinamica quantistica (QCD) non perturbativa nei decadimenti dei mesoni B. All'interno dell'approccio di fattorizzazione QCD, questa dinamica è codificata nell'ampiezza di distribuzione di luce lungo la linea di vista (LCDA) del mesone B. Un parametro critico per le previsioni dei decadimenti esclusivi del mesone B è il primo momento inverso della LCDA a twist leader, λB, che caratterizza il tipico momento del quark spettatore leggero. Sebbene le stime teoriche per λB varino ampiamente (200–600 MeV), il decadimento leptone radiativo B+→ℓ+νℓγ è considerato il canale ottimale per sondare sperimentalmente la LCDA del mesone B e misurare λB. Per fotoni energetici, l'ampiezza di decadimento fattorizza, rendendo la frazione di branching proporzionale a 1/λB2 al potere dominante.
Nonostante la sua importanza teorica, il decadimento B+→ℓ+νℓγ rimane non osservato a causa del suo stato finale impegnativo (che coinvolge un neutrino e un fotone) e di una frazione di branching prevista piccola, dell'ordine di O(10−6). Precedenti ricerche condotte dalle collaborazioni BaBar e Belle hanno stabilito limiti superiori ma non hanno ancora osservato il segnale. Inoltre, il decadimento leptone radiativo del mesone Bc+ (Bc+→μ+νμγ) non è stato ancora investigato sperimentalmente, nonostante le previsioni teoriche suggeriscano una frazione di branching compresa tra 2×10−5 e 8×10−5, aumentata rispetto al decadimento B+ dai parametri della matrice CKM.
Metodologia
Questa analisi utilizza dati di collisioni protone-protone raccolti dall'esperimento LHCb a un'energia di centro di massa di 13 TeV, corrispondente a una luminosità integrata di 5,4 fb−1 (2016–2018). La ricerca mira ai decadimenti B+→μ+νμγ e Bc+→μ+νμγ.
- Strategia di Ricostruzione: Poiché il vertice di decadimento del mesone B non può essere ricostruito da una singola traccia carica (il muone) da sola, l'analisi si affida ai fotoni che si convertono in coppie elettrone-positrone (γ→e+e−) all'interno del materiale del rivelatore di vertice. Ciò fornisce tre tracce (μ+,e+,e−) per ricostruire il vertice di decadimento del B e sopprimere il background prompt.
- Variabili Cinematiche: Per compensare il momento mancante del neutrino, viene utilizzata la massa corretta, mcorr(μ+γee). L'energia del fotone nel sistema di riposo del mesone B, Eγ∗, viene calcolata e richiesta superiore a 1 GeV.
- Soppressione del Background: Sono impiegati tre classificatori multivariati (basati su XGBoost e Gradient Boosted Decision Trees) per separare il segnale dal:
- Background combinatorio.
- Background in cui il fotone convertito origina dal decadimento di un mesone neutro π0 o η.
- Background parzialmente ricostruiti con tracce cariche aggiuntive (ad esempio, B+→D0μ+νμ).
La selezione mantiene circa il 22% del segnale B+ e l'8% del segnale Bc+ riducendo il background di circa il 98%.
- Normalizzazione: Le frazioni di branching sono misurate rispetto al decadimento B0→K∗(892)0γ, che viene ricostruito utilizzando fotoni convertiti per cancellare le incertezze sistematiche legate alla ricostruzione della conversione del fotone.
- Modellazione del Background: I background dominanti (π0 e η) sono modellati utilizzando tecniche basate sui dati. I candidati per μ+π0 e μ+η vengono ricostruiti combinando il fotone convertito con un fotone aggiuntivo del calorimetro (γcalo). Un fit unbinned maximum-likelihood sulla massa invariante diphoton determina le rese, e la tecnica sPlot viene utilizzata per estrarre le distribuzioni mcorr per questi background. I background di misidentificazione (ad esempio, adroni identificati erroneamente come muoni) sono modellati utilizzando campioni di controllo con requisiti di identificazione delle particelle (PID) invertiti.
Contributi Chiave
- Prima Ricerca in un Collisionatore di Adroni: Questo lavoro presenta la prima ricerca di B+→μ+νμγ in un collisionatore di adroni.
- Prima Investigazione di Bc+: Questa costituisce la prima investigazione sperimentale del decadimento Bc+→μ+νμγ.
- Innovazione Metodologica: L'analisi dimostra la fattibilità della ricostruzione di decadimenti leptone radiativi con neutrini mancanti all'LHC, utilizzando le conversioni dei fotoni per fornire le informazioni di vertexing necessarie.
- Mappe di Efficienza: Il documento fornisce mappe di efficienza in funzione dell'energia del fotone (Eγ∗) e dell'angolo di elicità (cosθℓ), permettendo la reinterpretazione dei risultati sotto diversi modelli teorici.
Risultati
Non si osserva alcun eccesso significativo di eventi rispetto al background atteso per nessuno dei due decadimenti del segnale. Le rese dopo la correzione del bias sono 32±24 per B+→μ+νμγ e 13−5+6 per Bc+→μ+νμγ. Di conseguenza, vengono stabiliti limiti superiori sulle frazioni di branching al livello di confidenza (CL) del 90% per fotoni con Eγ∗>1 GeV:
- B(B+→μ+νμγ)<4,0×10−6
- B(Bc+→μ+νμγ)<1,6×10−3
Le frazioni di branching misurate sono compatibili con lo zero entro 1,3 e 2,4 deviazioni standard per i decadimenti B+ e Bc+, rispettivamente. La sensibilità per il decadimento B+ è comparabile ai migliori risultati precedenti della collaborazione Belle.
Significatività
Questo articolo stabilisce i primi vincoli sperimentali sul decadimento Bc+→μ+νμγ e fornisce un limite superiore competitivo per il decadimento B+→μ+νμγ in un ambiente di collisionatore di adroni. Sebbene gli attuali limiti non raggiungano ancora i valori centrali delle previsioni del Modello Standard, l'analisi valida la tecnica di ricostruzione necessaria per misurare questi decadimenti. Gli autori osservano che queste ricerche beneficeranno significativamente dell'aumento della luminosità e delle prestazioni migliorate del rivelatore LHCb aggiornato nella Run 3, che sarà cruciale per osservare infine questi decadimenti e vincolare il parametro λB della LCDA del mesone B.
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Scelto da ricercatori di Stanford, Cambridge e dell'Accademia francese delle scienze.
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