Observation of Ξb0→Ξ0J/ψ and evidence for Ξb0→Ξ0ψ(2S) decays
Utilizzando i dati LHCb del 2016–2018, questo articolo riporta la prima osservazione del decadimento Ξb0→Ξ0J/ψ e l'evidenza per Ξb0→Ξ0ψ(2S), segnando la prima ricostruzione completa dell'ibrone Ξ0 in un esperimento LHC e fornendo una misura del rapporto delle 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, 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, M. Bai, 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, W. Barker, 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. Becker, F. Bedeschi, I. B. Bediaga, N. A. Behling, S. Belin, A. Bellavista, I. Belyaev, G. Bencivenni, E. Ben-Haim, J. L. M. Berkey, R. Bernet, A. Bertolin, L. Bertsch, F. Betti, J. Bex, O. Bezshyyko, S. Bhattacharya, M. S. Bieker, N. V. Biesuz, A. Biolchini, M. Birch, F. C. R. Bishop, A. Bitadze, A. Bizzeti, T. Blake, F. Blanc, J. E. Blank, S. Blusk, J. A. Boelhauve, O. Boente Garcia, T. Boettcher, A. Bohare, C. Bolognani, R. B. Bonacci, A. Bordelius, F. Borgato, S. Borghi, M. Borsato, J. T. Borsuk, E. Bottalico, S. A. Bouchiba, M. Bovill, T. J. V. Bowcock, A. Boyer, C. Bozzi, J. D. Brandenburg, A. Brea Rodriguez, N. Breer, C. Breitfeld, J. Brodzicka, J. Brown, E. Buchanan, M. Burgos Marcos, C. Burr, E. Butera, C. Buti, J. S. Butter, J. Buytaert, W. Byczynski, S. Cadeddu, H. Cai, Y. Cai, Y. Cai, A. Caillet, R. Calabrese, L. Calefice, M. Calvi, M. Calvo Gomez, P. Camargo Magalhaes, J. I. Cambon Bouzas, P. Campana, A. Campomagnani, A. C. Campos, A. F. Campoverde Quezada, Y. Cao, S. 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Curras Rivera, R. Currie, C. L. Da Silva, X. Dai, J. Dalseno, C. D'Ambrosio, G. Darze, A. Davidson, O. De Aguiar Francisco, C. De Angelis, F. De Benedetti, J. de Boer, K. De Bruyn, S. De Capua, M. De Cian, U. De Freitas Carneiro Da Graca, F. De Gregorio, E. De Lucia, J. M. De Miranda, L. De Paula, A. De Robertis, E. De Santis, M. De Serio, P. De Simone, F. De Vellis, J. A. de Vries, F. Debernardis, D. Decamp, S. Dekkers, L. Del Buono, B. Delaney, B. Demaire-Lepape, J. Deng, O. Deschamps, F. Dettori, B. Dey, P. Di Nezza, S. Ding, Y. Ding, L. Dittmann, J. F. Diverchy, A. D. Docheva, A. Doheny, C. Dong, F. Dordei, J. Dorta Moreno, A. C. dos Reis, J. Dos Santos Oliveira, A. D. Dowling, L. Dreyfus, W. Duan, P. Duda, L. Dufour, V. Duk, P. Durante, M. M. Duras, J. M. Durham, K. Duwe, A. Dziurda, S. Easo, E. Eckstein, U. Egede, S. Eisenhardt, E. Ejopu, L. Eklund, M. Elashri, D. Elizondo Blanco, J. Ellbracht, S. Ely, A. Ene, T. Evans, F. Fabiano, S. Faghih, L. N. Falcao, B. Fang, R. Fantechi, L. Fantini, M. Faria, K. Farmer, F. Fassin, D. Fazzini, L. Felkowski, C. Feng, M. Feng, A. Fernandez Casani, M. Fernandez Gomez, B. Fernandez Rodino, J. Fernandez-John, A. D. Fernez, F. Ferrari, F. Ferreira Rodrigues, R. A. Fini, R. Fiorenza, M. Fiorini, M. Firlej, D. S. Fitzgerald, C. Fitzpatrick, T. Fiutowski, F. Fleuret, A. Fomin, M. Fontana, M. Fontes Vaz, L. A. Foreman, R. Forty, D. Foulds-Holt, V. Franco Lima, M. Franco Sevilla, M. Frank, E. Franzoso, G. Frau, C. Frei, D. A. Friday, J. Fu, Y. Fu, Q. Führing, T. Fulghesu, G. Galati, M. D. Galati, A. Gallas Torreira, D. Galli, S. Gambetta, M. Gandelman, P. Gandini, B. Ganie, H. Gao, R. Gao, T. Q. Gao, Y. Gao, Y. Gao, Y. Gao, L. M. Garcia Martin, P. Garcia Moreno, J. García Pardiñas, P. Gardner, L. Garrido, C. Gaspar, A. Gavrikov, J. George, E. Gersabeck, M. Gersabeck, T. Gershon, S. Ghizzo, Z. Ghorbanimoghaddam, F. I. Giasemis, V. Gibson, H. K. Giemza, A. L. Gilman, M. Giovannetti, A. Gioventù, L. Girardey, M. A. 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Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, M. Wang, N. W. Wang, X. Wang, X. Wang, X. Wang, X. W. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. H. Wang, Z. Wang, Z. Wang, J. A. Ward, M. Waterlaat, N. K. Watson, D. Websdale, Y. Wei, Z. Weida, J. Wendel, B. D. C. Westhenry, A. S. White, C. White, M. Whitehead, E. Whiter, A. R. Wiederhold, D. Wiedner, M. A. Wiegertjes, C. Wild, G. Wilkinson, M. K. 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, T. 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, S. Zalambani, 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, M. 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, T. Zies, D. Zuliani, X. Zuo
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L'universo è costruito da un piccolo insieme di blocchi fondamentali, ma il modo in cui questi pezzi si incastrano per formare la materia che vediamo è un puzzle complesso. Tra i pezzi più elusivi ci sono le particelle pesanti che contengono un quark "beauty", un tipo di materia che non esiste naturalmente sulla Terra e deve essere creata in collisioni ad alta energia. Queste particelle sono instabili e decadono, o si frammentano, quasi istantaneamente in forme più leggere e stabili. Studiando come queste particelle pesanti si trasformano, gli scienziati possono testare le regole standard della fisica per vedere se reggono sotto condizioni estreme o se suggeriscono nuove, undiscovered forze. Mentre gli scienziati hanno trascorso decenni osservando come si comportano le particelle pesanti composte da tre quark quando contengono un tipo specifico di quark chiamato "strange", la versione contenente un quark "strange" e un quark "bottom" è rimasta in gran parte invisibile ai rivelatori, lasciando una lacuna nella nostra comprensia di come si comportano questi barioni pesanti.
Un team di ricercatori che utilizza l'esperimento Large Hadron Collider beauty, noto come LHCb, ha finalmente colmato questa lacuna. Analizzando i dati delle collisioni protone-protone raccolti tra il 2016 e il 2018, il team ha riportato la prima chiara osservazione di una specifica particella pesante, il barione Ξb0, che decade in un iperone Ξ0 e un mesone J/ψ. Questo è un traguardo significativo perché segna la prima volta che l'iperone Ξ0 viene completamente ricostruito in un esperimento del Large Hadron Collider. Lo Ξ0 è una particella neutra che decade in un barione lambda e un pione neutro, un processo che è notoriamente difficile da tracciare perché il pione neutro si frammenta in due fotoni che non lasciano alcuna traccia diretta nel rivelatore. I ricercatori sono riusciti a ricomporre l'intera catena di decadimento, tracciando efficacementamente il percorso di una particella che svanisce quasi immediatamente dopo la sua nascita.
Lo studio ha anche fornito una forte evidenza per un secondo, simile decadimento in cui l'iperone pesante Ξb0 si trasforma in un iperone Ξ0 e in un parente più pesante del J/ψ chiamato ψ(2S). Mentre il primo decadimento è stato osservato con un'overwhelming certezza statistica, il secondo è stato visto con un livello di confidenza che suggerisce sia reale, sebbene non ancora confermato come una scoperta definitiva. I ricercatori hanno misurato quanto spesso la particella pesante sceglie il percorso più pesante del ψ(2S) rispetto al percorso più leggero del J/ψ. Hanno scoperto che il percorso più pesante avviene circa il 59 percento delle volte rispetto a quello più leggero, un rapporto che si allinea bene con le misurazioni effettuate per altri simili particelle pesanti da diversi esperimenti. Questa coerenza suggerisce che le regole che governano questi decadimenti siano uniformi tra diversi tipi di barioni pesanti.
Il percorso verso questa scoperta è stato costellato di sfide tecniche. Lo Ξ0 iperone vive abbastanza a lungo da percorrere una distanza misurabile prima di decadere, ma la sua particella figlia, il pione neutro, non lascia una traccia, rendendo difficile individuare esattamente dove sia avvenuto il decadimento. Per risolvere questo problema, il team ha utilizzato una sofisticata tecnica matematica per ricostruire il percorso della particella assumendo che originasse dal punto principale di collisione e adattando le sue proprietà a valori fisici noti. Questo metodo ha migliorato la precisione delle loro misurazioni di un fattore due, permettendo di separare i rari eventi di segnale dal soverchiante rumore di fondo di altre collisioni di particelle. Il team ha anche dovuto filtrare i falsi segnali causati da combinazioni casuali di particelle che sembravano il decadimento bersaglio ma che non lo erano.
La riuscita osservazione di questi decadimenti dimostra che il rivelatore LHCb è in grado di ricostruire complessi decadimenti di barioni che coinvolgono molteplici particelle neutre, un traguardo che era precedentemente ritenuto estremamente difficile. Questo successo apre la porta allo studio di ancora più rari decadimenti del barione Ξb0, inclusi quelli che potrebbero rivelare nuova fisica oltre l'attuale modello standard. Provando che queste particelle elusive possono essere tracciate e misurate con alta precisione, i ricercatori hanno fornito un nuovo strumento per esplorare la struttura fondamentale della materia. I risultati, pubblicati in una lettera alla comunità fisica, confermano che il comportamento di questi barioni pesanti segue i modelli predetti dalle teorie esistenti, dimostrando simultaneamente che le tecniche sperimentali sono ora abbastanza avanzate da affrontare le catene di decadimento più impegnative nel mondo subatomico.
Sintesi Tecnica: Osservazione di Ξb0→Ξ0J/ψ ed Evidenza per Ξb0→Ξ0ψ(2S)
Problema e Motivazione
I barioni b che decadono tramite l'interazione debole forniscono un banco di prova critico per il Modello Standard, offrendo una prospettiva complementare ai decadimenti dei mesoni. Tra i quattro barioni b nello stato fondamentale contenenti un singolo quark b, il Ξb0 (usb) rimane il meno studiato. Sebbene la sua massa sia stata misurata con precisione, la sua sezione d'urto di produzione rimane sconosciuta, ostacolando le misure assolute delle frazioni di ramificazione. Inoltre, l'iperone Ξ0 non era mai stato completamente ricostruito in un esperimento LHC a causa delle sfide sperimentali associate alla sua catena di decadimento, specificamente il mesone neutro π0 che manca di una traiettoria definita. Questo articolo affronta la prima ricerca dei decadimenti Ξb0→Ξ0J/ψ e Ξb0→Ξ0ψ(2S), con l'obiettivo di osservare questi modi e misurare il rapporto tra le loro frazioni di ramificazione, una quantità in cui le incertezze relative alla sconosciuta frazione di produzione di Ξb0 si cancellano.
Metodologia
L'analisi utilizza i dati di collisioni protone-protone raccolti dall'esperimento LHCb tra il 2016 e il 2018 a un'energia nel centro di massa di s=13 TeV, corrispondente a una luminosità integrata di 5.4 fb−1. I processi di segnale sono ricostruiti tramite le catene di decadimento:
- Ξb0→Ξ0ψ, dove ψ è o J/ψ o ψ(2S).
- ψ→μ+μ−.
- Ξ0→Λπ0, con Λ→pπ− e π0→γγ.
La ricostruzione dell'iperone Ξ0 è sperimentalmente impegnativa perché il vettore momento del π0 non può essere determinato direttamente dai suoi prodotti di decadimento senza assumere un'origine. Per mitigare il conseguente bias nella misura del momento e l'elevato background proveniente dai mesoni π0 "soft", viene impiegato un fit cinematico della catena di decadimento. Questo fit vincola il Ξb0 a originare dal vertice primario (PV) e fissa le masse di ψ, Ξ0, Λ e π0 ai loro valori noti. Questo approccio migliora la risoluzione della massa invariante di un fattore due.
La selezione degli eventi prevede un trigger hardware che richiede muoni ad alto momento trasverso (pT), seguito da un trigger software che seleziona coppie μ+μ− coerenti con le masse di ψ e dislocate dal PV. La selezione offline utilizza un classificatore Boosted Decision Tree (BDT) addestrato su segnali simulati e sideband di dati per sopprimere il background combinatorio, dominante a causa dell'ambiente ad alta molteplicità e delle sfide nella ricostruzione del π0. I background di picco (peaking backgrounds) derivanti da decadimenti di Ξb− mal ricostruiti o Λb0→Λψ con mesoni π0 casuali sono soppressi tramite veto di massa e requisiti cinematici.
Le rese sono determinate utilizzando un fit unbinned maximum-likelihood esteso sulle distribuzioni di massa invariante Ξ0ψ ricostruite nell'intervallo 5400<m(Ξ0ψ)<6200 MeV/c2. Le componenti del segnale sono modellate da una combinazione lineare di due funzioni Crystal Ball a lato singolo, mentre i background sono modellati utilizzando funzioni esponenziali e Crystal Ball a due lati. Il rapporto delle frazioni di ramificazione RΞb0 è computato simultaneamente per entrambi i modi di decadimento.
Contributi Chiave e Risultati
- Prima Osservazione: L'articolo riporta la prima osservazione del decadimento Ξb0→Ξ0J/ψ con una significatività statistica schiacciante.
- Prima Evidenza: Viene presentata l'evidenza per il decadimento Ξb0→Ξ0ψ(2S) con una significatività superiore a 4σ.
- Ricostruzione Completa di Ξ0: Questo lavoro segna la prima volta che l'iperone Ξ0 è stato completamente ricostruito in un esperimento LHC, utilizzando il decadimento Ξ0→Λπ0. Questo traguardo ha richiesto la gestione dei candidati fotoni e π0 più "soft" utilizzati in una misura LHCb fino ad oggi.
- Rapporto delle Frazioni di Ramificazione: Il rapporto delle frazioni di ramificazione è misurato come:
B(Ξb0→Ξ0J/ψ)B(Ξb0→Ξ0ψ(2S))=0.59±0.19 (stat)±0.04 (syst)
L'incertezza sistematica include contributi dalla dimensione del campione di simulazione, dai modelli di fit, dalla selezione BDT e dalle frazioni di ramificazione esterne.
Significatività
L'osservazione di Ξb0→Ξ0J/ψ dimostra che i decadimenti barionici che coinvolgono molteplici particelle neutre possono essere ricostruiti con buona sensibilità in LHCb. Il rapporto RΞb0 misurato è compatibile con il rapporto corrispondente recentemente misurato dall'esperimento CMS per il barione Ξb− e con le misure per il barione Λb0 da parte di LHCb e ATLAS. Gli autori osservano che questo risultato implica che il raro decadimento Ξb0→Ξ0μ+μ− è alla portata di LHCb con campioni di dati aumentati, data la ricostruzione riuscita dello stato finale complesso. Il documento non pretende di risolvere le discrepanze tra i modelli teorici (come il modello covariante confinato di quark rispetto alla QCD perturbativa), ma fornisce il primo dato sperimentale per questi specifici modi di decadimento per facilitare tali confronti.
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Scelto da ricercatori di Stanford, Cambridge e dell'Accademia francese delle scienze.
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