Common origin of the Belle-BESIII line-shape difference of $\Lambda_c^+\bar{\Lambda}_c^-$, $D_s D_{s1}$ and $D_s D_{s2}^*$ from $e^+ e^-$ annihilation

Nel mondo subatomico, particelle note come charmonia fungono da un laboratorio unico per comprendere come la materia si tenga insieme. Questi non sono atomi ordinari, ma coppie strettamente legate di un pesante quark charm e del suo gemello di antimateria, che orbitano l'uno attorno all'altro. I fisici li studiano per mappare le forze invisibili che governano l'interazione forte, la colla che lega il nucleo stesso di tutta la materia visibile. Quando gli scienziati fanno collidere elettroni e positroni ad alte velocità, possono creare questi stati di charmonium, che poi decadono in particelle più leggere. Misurando attentamente l'energia e la massa dei detriti risultanti, i ricercatori si aspettano di vedere schemi fluidi o picchi distinti che rivelino l'esistenza di particelle specifiche e previste. Tuttavia, l'universo a volte presenta un enigma: due diversi team di scienziati, utilizzando macchine differenti, possono guardare gli stessi dati di collisione e vedere immagini completamente diverse. Un team potrebbe individuare uno spike drammatico nei dati, segno di una nuova particella, mentre l'altro non vede altro che una linea piatta. Questa discrepanza non rappresenta solo un errore minore; suggerisce che qualcosa di fondamentale su come i dati vengono raccolti o interpretati stia sfuggendo.

Per oltre un decennio, un mistero persistente è aleggiato nel campo della fisica delle particelle riguardante la produzione di particelle charm. Due grandi esperimenti, uno presso la struttura Belle in Giappone e un altro al BESIII in Cina, hanno misurato quanto spesso certe coppie di particelle compaiono quando elettroni e positroni collidono. Nello specifico, hanno osservato la creazione di una coppia di barioni charm, nonché due diversi tipi di coppie di mesoni charm. L'esperimento Belle, che opera a un'energia di collisione molto più elevata, ha riferito di aver visto un aumento significativo o un incremento nei dati intorno a un'energia di 4,63 miliardi di elettron volt. Questo incremento suggeriva la presenza di un nuovo stato di charmonium più pesante. Al contrario, l'esperimento BESIII, che scansiona le energie in modo più diretto in quell'intervallo specifico, non ha trovato alcun tale incremento. I dati di BESIII erano fluidi e piatti, non mostravano alcun segno della particella extra che Belle sembrava aver visto. Questo disaccordo è rimasto irrisolto, con entrambi i team che hanno controllato rigorosamente le loro apparecchiature e i loro metodi, senza tuttavia trovare una ragione per la differenza. La domanda è diventata: esiste una particella nascosta che solo una macchina può vedere, o c'è un sottile difetto nel modo in cui i dati vengono elaborati?

Un nuovo studio propone una soluzione che non richiede l'esistenza di una nuova particella nel modo in cui precedentemente pensato, ma suggerisce piuttosto che un tipo noto di produzione di particelle sia stato identificato erroneamente. I ricercatori suggeriscono che la differenza derivi da come i due esperimenti gestiscono un processo specifico chiamato radiazione dello stato iniziale. Nell'esperimento Belle, le particelle in entrata emettono talvolta un fotone, una particella di luce, prima di collidere. Questa emissione abbassa l'energia della collisione effettiva, permettendo la creazione di particelle più leggere anche se la macchina sta operando a un'energia molto elevata. L'esperimento ricostruisce l'evento cercando le particelle risultanti e il fotone emesso. Il problema, sostengono gli autori, è che un processo diverso può mimare questa firma. Una particella di charmonium più pesante e ad alta energia potrebbe essere creata direttamente all'energia di collisione completa, che poi emette un fotone e decade nella stessa coppia di particelle. Poiché la disposizione finale delle particelle è identica al processo di radiazione, questi eventi si mescolano nello stesso campione di dati.

L'intuizione cruciale risiede in come gli scienziati calcolano la probabilità che questi eventi si verifichino. Quando il team di Belle analizza i propri dati, assume che tutti gli eventi nel suo campione provengano dal processo di radiazione dello stato iniziale. Utilizzano un fattore matematico specifico per convertire il numero di eventi che vedono in una misura di quanto sia probabile che la reazione avvenga. Tuttavia, se una parte significativa di quegli eventi provenisse in realtà dalla produzione diretta di un charmonium più pesante, questo calcolo diventa distorto. Il fattore utilizzato per il processo di radiazione è molto più grande del fattore per il processo diretto. Di conseguenza, quando i ricercatori applicano il fattore di radiazione a questi eventi diretti "identificati erroneamente", la probabilità calcolata della reazione schizza alle stelle. Questa inflazione artificiale crea l'apparenza di un grande picco nei dati, esattamente dove è stata osservata la discrepanza. L'esperimento BESIII, che opera a energie inferiori dove la produzione diretta di stati pesanti è impossibile, non soffre di questa confusione e quindi vede una linea fluida e piatta.

Per testare questa idea, i ricercatori hanno costruito un modello che include questi contributi nascosti. Hanno preso i dati fluidi di BESIII come base reale per ciò che la reazione dovrebbe apparire. Poi, hanno aggiunto il segnale potenziale di uno stato di charmonium a energia più elevata ai dati di Belle. Per la coppia di barioni, hanno scoperto che un tipo specifico di particella, uno stato di charmonium pseudoscalare noto come eta_c(6S), poteva spiegare perfettamente l'incremento extra visto da Belle. Per le due coppie di mesoni, un altro tipo di particella di charmonium tensore chiamato chi_c2(5P) ha fornito la spiegazione necessaria. Quando questi contributi sono stati inclusi, il modello ha riprodotto con successo il picco acuto nei dati di Belle pur rimanendo coerente con la linea piatta di BESIII. Lo studio suggerisce che la particella "mancante" non è un mistero della natura, ma è il risultato di un complesso interplay tra due diversi meccanismi di produzione che sono stati precedentemente trattati come uno solo.

I risultati offrono una spiegazione unificata per tre discrepanze separate che hanno per anni tormentato la comunità. Riconoscendo che la macchina a energia più elevata stava involontariamente catturando eventi da un canale di produzione differente, i ricercatori hanno dimostrato che i dati di entrambi gli esperimenti possono essere riconciliati senza inventare nuova fisica. Lo studio non sostiene di aver scoperto una nuova particella nel senso tradizionale di trovare qualcosa di interamente sconosciuto; piuttosto, suggerisce che i dati esistenti contengano un segnale di uno stato a energia più elevata che è stato interpretato erroneamente. Gli autori osservano che questo meccanismo offre un nuovo modo per cercare altri stati di charmonium pesanti mancanti presso la struttura Belle II. Se la loro ipotesi è corretta, i futuri esperimenti potrebbero cercare queste particelle specifiche regolando il modo in cui analizzano i dati, potenzialmente rivelando una famiglia di particelle pesanti che si sono nascoste in pieno vista, oscurate proprio dal metodo utilizzato per trovarle. Il lavoro serve da promemoria del fatto che, nella ricerca di comprendere i blocchi fondamentali dell'universo, il modo in cui guardiamo i dati può essere importante quanto i dati stessi.