Observation of the decay $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J\mskip -3mu/\mskip -2mu\psi \mu^+\mu^-$

LHCb 検出器による 9 fb$^{-1}$ の陽子 - 陽子衝突データを用いて、本論文は 6.5$\sigma$ の有意性で $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \mu^+\mu^-$ 崩壊を初めて観測し、その分岐比を $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \pi^+\pi^-$ モードに対して $(1.68\pm 0.32\pm 0.05)\times10^{-3}$ と測定した。

要約

巨大粒子狩り：機械の中の幽霊を探して

CERN の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を、世界で最も強力な粒子破壊装置だと想像してください。それは光速に近い速度で陽子を衝突させ、亜原子レベルの破片の混沌とした爆発を生み出します。この破片のほとんどは退屈で予測可能ですが、その混沌の中に隠れて、物理学の標準的な規則書に当てはまらない希少で奇妙な粒子が時折見つかることがあります。

本論文は、LHCb 実験がそのような希少な事象の一つ、すなわち$\chi_{c1}(3872)$と呼ばれる粒子の特定の「幽霊」崩壊の発見に成功したことを報告します。

謎の粒子：$\chi_{c1}(3872)$

$\chi_{c1}(3872)$を、パーティに現れた謎めいたゲストだと考えてみてください。その存在と名前が分かっているものの、それが実際には何なのかについては、科学者たちがまだ議論を続けています。

• それは標準的な「チャモニウム」粒子（重いクォークとその反クォークが手を取り合っているもの）でしょうか？
• それとも「テトラクォーク」（4 つのクォークがくっついたもの）でしょうか？
• または、2 つの他の粒子が緩く結合した「分子」でしょうか？

この謎を解くために、科学者たちはこの粒子が崩壊する様子を監視する必要があります。私たちがその崩壊を観測できる方法が多ければ多いほど、その真の性質を理解できることになります。

新しい発見：稀な崩壊

長い間、科学者たちは$\chi_{c1}(3872)$が頻繁に$J/\psi$（重い粒子）と2 つのパイオン（軽い粒子）に崩壊することを知っていました。これは、粒子が花瓶を重い鍋と2 つの小さな小石に割るようなものです。これは頻繁に起こります。

しかし、本論文は、$\chi_{c1}(3872)$が$J/\psi$と2 つのミューオン（電子の重いいとこ）に崩壊するのを、誰かが目撃したのは初めてであることを発表します。

• 比喩: あなたが、通常は重いブロックと2 つの小さなビー玉に割れるおもちゃを持っていると想像してください。あなたはこれが何千回も起こるのを見てきました。しかし、突然、それが重いブロックと2 つの重いボウリング玉に割れるのを目撃したとします。それは同じおもちゃですが、はるかに稀で奇妙な割れ方です。

チームは 2011 年から 2018 年のデータ（約 9「逆フェムトバーン」のデータ。これは「膨大な量の衝突記録」という意味の洒落た表現です）を分析しました。彼らはこれらの希少な事象を60件発見しました。これが単なるランダムなノイズではないという統計的な確実性は6.5 シグマです。粒子物理学の世界では、5 シグマが「発見」のゴールドスタンダードであるため、6.5 は非常に確信に満ちた「はい、私たちはそれを見ました！」という結果です。

彼らがどのように見つけたか（探偵仕事）

これらの希少な事象を見つけることは、針が藁のように見える、都市サイズの干し草の山から特定の針を見つけるようなものです。

1. フィルター（トリガー）: コンピュータシステムはクラブの用心棒のように機能し、2 つのミューオンを持つなど、有望に見える事象のみを通過させます。
2. 探偵（BDT）: チームは「ブースト決定木（Boosted Decision Tree: BDT）」を使用しました。これは本質的にパターンを特定するように訓練された超スマートなコンピュータアルゴリズムです。これは、実際のミューオンと、ミューオンになりすましたパイオン（粒子物理学でよくある手口）を区別するように教えました。
   • 比喩: 本物のダイヤモンドと、ダイヤモンドのように見えるガラスの区別をつけなければならない警備員を想像してください。BDT は、何千ものダイヤモンドを研究し、本物のものがどのように光を反射するかを正確に知っている警備員です。
3. 比較: この事象がどれほど稀かを測定するために、彼らは一般的な「小石」崩壊（$J/\psi$ + パイオン）と比較しました。彼らは、粒子が小石に割れる 1,000 回に対して、ボウリング玉（ミューオン）に割れるのは約1.7 回であることを発見しました。

これが意味すること

本論文は、この稀な崩壊が、一般的な崩壊に対して約$1.68 \times 10^{-3}$の分岐比で起こると結論付けています。

• 予測の確認: この実験以前に、理論論文はこの崩壊が 10 万回に 4 回程度起こると予測していました。新しい測定値は 10 万回に 7 回程度です。完全な一致ではありませんが、新しい結果は予測に十分近いため、「わかった、現在の理論は完全に間違っているわけではないが、もっと詳しく見る必要がある」と言うことができます。

結論

この論文は、$\chi_{c1}(3872)$が実際には何なのかという謎をすでに解決したとは主張していません。代わりに、新しい扉を開きました。この粒子がミューオンに崩壊できることを証明することで、科学者たちはそれを研究するための新しい道具を手に入れました。

著者たちは、将来さらに多くのデータがあれば、崩壊が「仮想光子」（一瞬の光の burst）によって駆動されるのか、$\omega$中間子のような他の粒子の生成によって駆動されるのか、つまりどのように崩壊が起こるのかを明らかにできるかもしれないと提案しています。これにより、ついに$\chi_{c1}(3872)$がコンパクトなテトラクォークなのか、緩い分子なのか、それとも全く別の何かなのかを決定できるかもしれません。

要約すると: 彼らは、謎めいた粒子が崩壊する非常に稀で奇妙な方法を見つけ出し、その存在を確認し、この粒子が実際には何なのかという 20 年もの謎を解くための新たな手がかりを物理学者たちに提供しました。

技術概要

技術的サマリー：$\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$ 崩壊の観測

問題と動機
過去 20 年間にわたり、$\chi_{c1}(3872)$ 状態（旧称 $X(3872)$）の性質は、ハドロン分光学の分野において激しい議論の対象となってきた。その存在と量子数（$J^{PC} = 1^{++}$）はよく確立されているが、その内部構造については議論が分かれており、コンパクトなテトラクォークから、緩く束縛された $D^{*0}D^0$ 分子、あるいはチャルモニウムと分子成分の混合に至るまでの仮説が存在する。この性質を解明するためには、その崩壊モードのさらなる研究が必要である。

$\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$ 崩壊は、ミューオン対を含むため特に興味深い。理論的な考察によれば、低質量のミューオン対においてはこの崩壊は仮想光子の極によって支配され、より高い質量では実在の $\rho^0$ および $\omega$ メソンの寄与が期待される。$\omega$ メソンは $\rho^0$ よりもミューオン対により強く結合するため、同様の $J/\psi\pi^+\pi^-$ モードと比較して、$J/\psi\mu^+\mu^-$ モードにおいて $\omega$ の寄与がより支配的になる可能性がある。本研究以前、この崩壊チャネルはほとんど注目されておらず、ダリッツ崩壊の寄与に基づき分岐比が $(4.2 \pm 1.7) \times 10^{-5}$ と予測された単一の理論的見積もりのみが存在していた。さらに、$\omega$ 閾値以上のミューオン対不変質量スペクトルにおける $\chi_{c0}(3915)$ 状態の潜在的な存在は、背景モデル化において考慮を要する要因として指摘されていた。

手法
本解析は、2011 年から 2018 年にかけて LHCb 検出器で収集された陽子 - 陽子衝突データを利用しており、これは $9 \text{ fb}^{-1}$ の積分光度（$\sqrt{s} = 7, 8$ TeV で $3 \text{ fb}^{-1}$、13 TeV で $6 \text{ fb}^{-1}$）に相当する。本研究は、長寿命のビューティハドロンからの崩壊に由来する変位した $\chi_{c1}(3872)$ 候補に焦点を当てている。

• 選別: 本解析では、一次相互作用頂点から変位した $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ 候補を選別する。これらは、信号に対してはミューオンとして同定された一対の反対電荷のトラック、または正規化モード（$\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$）に対してはパイオンとして同定された一対の反対電荷のトラックと組み合わせられる。
• 背景抑制: 信号モードにおいてミューオンとして誤同定されたパイオンに起因する背景を拒絶するため、シミュレーションを用いて訓練され、制御モード $\chi_{c1}(1P) \to J/\psi\mu^+\mu^-$ で検証されたブースト決定木（BDT1）分類器が使用される。2 番目の BDT（BDT2）は、ランダムな $J/\psi$ とミューオンの組み合わせに起因する組み合わせ背景を低減するために用いられる。
• 質量モデリング: 信号収量は、$J/\psi\mu^+\mu^-$ 不変質量分布に対する拡張非ビン化最尤法フィッティングによって抽出される。信号線形は、Breit-Wigner 関数を両側 Crystal Ball 関数と畳み込んだものでモデル化される。組み合わせ背景は、位相空間因子を掛けた 1 次多項式でモデル化される。フィッティングには、$\chi_{c1}(3872)$ 信号、組み合わせ背景、パイオンの誤同定背景、および潜在的な $\chi_{c0}(3915)$ 寄与の成分が含まれる。同符号候補（$J/\psi\mu^\pm\mu^\pm$）は、背景形状を制約するために使用される。
• 効率と正規化: 分岐比は、豊富な $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$ モードに対して測定される。相対的な検出効率と選別効率はシミュレーションを用いて評価され、データとシミュレーション間の粒子識別（PID）および BDT パフォーマンスの差異に対する補正が適用される。

主要な貢献と結果
本論文は、$\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$ 崩壊の初観測を報告する。

• 有意性: 信号は、質量モデルに関連する系統的不確かさを含めて、統計的有意性 $6.5\sigma$ で観測された。
• 収量: 信号の総フィッティング収量は、ラン 1 およびラン 2 を通じて $60 \pm 11$ 事象であった。フィッティングされた質量は $3872.58 \pm 0.83$ MeV であった。$\chi_{c0}(3915)$ 状態の収量は $14 \pm 14$ であり、これは現在のデータセットがこのチャネルにおけるその存在について強力な結論を導くには不十分であることを示している。
• 分岐比の比率: 分岐比の比率は以下のように測定された：
  $$\frac{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-)}{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-)} = (1.68 \pm 0.32 \pm 0.05) \times 10^{-3}$$
  ここで、最初の不確かさは統計的不確かさと相関のない系統的不確かさであり、2 番目は相関のある系統的不確かさである。
• 絶対分岐比: 正規化モードの既知の分岐比を用いて、絶対分岐比は以下のように決定された：
  $$\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-) = (7.2 \pm 2.7) \times 10^{-5}$$
  この結果は、ダリッツ寄与のみを考慮した文献 [15] における $(4.2 \pm 1.7) \times 10^{-5}$ という理論的予測と一致している。

本研究の意義
著者らは、この初観測が $\chi_{c1}(3872)$ 状態の性質を解明し、将来の研究のための潜在的な道筋を特定するのに役立つ可能性があると述べている。論文は、より大規模なデータセットを用いれば、仮想光子および $\rho^0$ または $\omega$ メソンの寄与を分離するために崩壊形状因子を研究することが可能になると指摘している。さらに、より大規模なデータセットにより、この質量領域にどの状態が存在するかを決定するために、$\chi_{c0}(3915)$ 状態と整合する増強をより詳細に調査することが可能になる。本研究は、$\chi_c$ および $\chi_b$ メソンの同様のミューオン性ダリッツ崩壊の以前の観測に基づいている。