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

Met behulp van 9 fb$^{-1}$ aan proton-proton botsingsdata van de LHCb-detector rapporteert dit artikel de eerste observatie van het verval $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \mu^+\mu^-$ met een significantie van 6,5$\sigma$ en meet de vertakkingsverhouding ten opzichte van de $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \pi^+\pi^-$-modus als $(1,68\pm 0,32\pm 0,05)\times10^{-3}$.

De kern

De Grote Deeltjeshunt: Een Spook in de Machine Opsporen

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN voor als 's werelds krachtigste deeltjesbreker. Hij schiet protonen met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar, waardoor een chaotische explosie van subatomaire puin ontstaat. Het grootste deel van dit puin is saai en voorspelbaar, maar soms, verborgen in het chaos, bevinden zich zeldzame, exotische deeltjes die niet in het standaardregelboek van de natuurkunde passen.

Dit artikel rapporteert over de succesvolle hunt van het LHCb-experiment naar een dergelijk zeldzaam evenement: een specifieke "spook"-verval van een deeltje genaamd $\chi_{c1}(3872)$.

Het Mysterieuze Deeltje: $\chi_{c1}(3872)$

Beschouw het $\chi_{c1}(3872)$ als een mysterieuze gast op een feestje. We weten dat het bestaat en we kennen zijn naam, maar wetenschappers discussiëren nog steeds over wat het eigenlijk is.

• Is het een standaard "charmonium"-deeltje (een zware quark en zijn anti-quark die hand in hand houden)?
• Is het een "tetraquark" (vier quarks die aan elkaar plakken)?
• Is het een "molecuul" bestaande uit twee andere deeltjes die losjes aan elkaar gebonden zijn?

Om dit mysterie op te lossen, moeten wetenschappers observeren hoe dit deeltje zich gedraagt wanneer het uiteenvalt. Hoe meer manieren we kunnen zien waarop het vervalt, hoe beter we de ware aard ervan kunnen begrijpen.

De Nieuwe Ontdekking: Een Zeldzame Uit elkaar Val

Lange tijd wisten wetenschappers dat het $\chi_{c1}(3872)$ vaak uiteenvalt in een $J/\psi$ (een zwaar deeltje) en twee pionen (lichte deeltjes). Dit is alsof het deeltje een vaas breekt in een zware pot en twee kleine kiezelstenen. Dit gebeurt frequent.

Echter, dit artikel kondigt de eerste keer aan dat iemand het $\chi_{c1}(3872)$ heeft zien uiteenvallen in een $J/\psi$ en twee muonen (zware neven van elektronen).

• De Analogie: Stel je een speelgoed voor dat meestal breekt in een zware blok en twee kleine marbles. Je hebt dit duizenden keren zien gebeuren. Maar plotseling zie je het breken in een zware blok en twee zware bowlingballen in plaats daarvan. Het is hetzelfde speelgoed, maar een veel zeldzamere, vreemdere manier van breken.

Het team analyseerde data van 2011 tot 2018 (ongeveer 9 "inverse femtobarns" aan data, wat een chique manier is om te zeggen "een enorme hoeveelheid botsingsregistraties"). Ze vonden 60 van deze zeldzame gebeurtenissen. De statistische zekerheid dat dit niet zomaar ruis was, bedraagt 6,5 sigma. In de wereld van de deeltjesfysica is 5 sigma de gouden standaard voor een "ontdekking", dus 6,5 is een zeer zelfverzekerde "Ja, we hebben het gezien!"

Hoe Ze Het Vonden (Het Detectivewerk)

Het vinden van deze zeldzame gebeurtenissen is als het vinden van een specifieke naald in een hooiberg ter grootte van een stad, waarbij de naald er bijna precies uitziet als een stuk stro.

1. De Filter (Trigger): Het computersysteem fungeert als een portier bij een club, die alleen gebeurtenissen binnenlaat die veelbelovend lijken (zoals het hebben van twee muonen).
2. De Detective (BDT): Het team gebruikte een "Boosted Decision Tree" (BDT), wat in wezen een superslim computeralgoritme is dat getraind is om patronen te herkennen. Het werd geleerd om onderscheid te maken tussen echte muonen en pionen die doen alsof ze muonen zijn (een veelvoorkomende truc in de deeltjesfysica).
   • Analogie: Stel je een beveiligingsagent voor die het verschil moet kunnen maken tussen een echte diamant en een stuk glas dat eruitziet als een diamant. De BDT is de agent die duizenden diamanten heeft bestudeerd en precies weet hoe het licht op de echte reflecteert.
3. De Vergelijking: Om te meten hoe zeldzaam deze gebeurtenis is, vergeleken ze het met de gebruikelijke "kiezel"-verval ($J/\psi$ + pionen). Ze ontdekten dat voor elke 1.000 keer dat het deeltje uiteenvalt in kiezelstenen, het ongeveer 1,7 keer uiteenvalt in bowlingballen (muonen).

Wat Dit Betekent

Het artikel concludeert dat dit zeldzame verval plaatsvindt met een vertakkingsfractie van ongeveer $1,68 \times 10^{-3}$ ten opzichte van het gebruikelijke verval.

• De Voorspellingscontrole: Voorafgaand aan dit experiment voorspelde een theoretisch artikel dat dit verval ongeveer 4 keer per 100.000 zou plaatsvinden. De nieuwe meting is ongeveer 7 keer per 100.000. Hoewel het geen exacte match is, is het nieuwe resultaat dicht genoeg bij de voorspelling om te zeggen: "Oké, onze huidige theorieën zijn niet helemaal verkeerd, maar we moeten nauwkeuriger kijken."

De Conclusie

Dit artikel beweert niet dat het het mysterie van wat het $\chi_{c1}(3872)$ is al heeft opgelost. In plaats daarvan heeft het een nieuwe deur geopend. Door te bewijzen dat dit deeltje kan vervallen in muonen, hebben wetenschappers nu een nieuw hulpmiddel om het te bestuderen.

De auteurs suggereren dat met nog meer data in de toekomst ze misschien kunnen zien hoe het verval plaatsvindt – of het wordt gedreven door een "virtueel foton" (een vluchtige lichtflits) of door de creatie van andere deeltjes zoals het $\omega$-meson. Dit zou hen eindelijk kunnen helpen beslissen of het $\chi_{c1}(3872)$ een compacte tetraquark is, een los molecuul, of iets heel anders.

Kortom: Ze vonden een zeer zeldzame, vreemde manier waarop een mysterieus deeltje uiteenvalt, bevestigden dat het bestaat en gaven natuurkundigen een nieuwe aanwijzing om het 20 jaar oude mysterie op te lossen van wat dit deeltje werkelijk is.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Observatie van het verval $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$

Probleem en Motivatie
Gedurende de laatste twee decennia is de aard van de $\chi_{c1}(3872)$-toestand (voorheen $X(3872)$) een onderwerp van intens debat gebleven binnen het veld van de hadronspectroscopie. Hoewel zijn bestaan en kwantumgetallen ($J^{PC} = 1^{++}$) goed vaststaan, is zijn interne structuur omstreden, met hypothesen die variëren van een compact tetraquark tot een losjes gebonden $D^{*0}D^0$-molecuul of een mengsel van charmonium- en moleculaire componenten. Om deze aard te verduidelijken, zijn verdere studies van zijn vervalmodi vereist.

Het verval $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$ is van bijzonder belang omdat het een dimuonpaar omvat. Theoretische overwegingen suggereren dat bij lage dimuonmassa's het verval wordt gedomineerd door een virtuele fotpool, terwijl bij hogere massa's bijdragen van echte $\rho^0$- en $\omega$-mesonen worden verwacht. Het $\omega$-meson koppelt sterker aan het dimuonpaar dan het $\rho^0$, wat de $\omega$-bijdrage potentieel prevalent kan maken in de $J/\psi\mu^+\mu^-$-modus in vergelijking met de analoge $J/\psi\pi^+\pi^-$-modus. Voorafgaand aan dit werk had dit vervalkanaal weinig aandacht gekregen, met slechts één theoretische schatting die een vertakkingsfractie van $(4,2 \pm 1,7) \times 10^{-5}$ voorspelde op basis van Dalitz-vervalbijdragen. Bovendien werd de potentiële aanwezigheid van de $\chi_{c0}(3915)$-toestand in het invariant-massaspectrum van dimuonen boven de $\omega$-drempel opgemerkt als een factor die rekening vereist bij de modellering van achtergronden.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-proton-botsingsdata verzameld door de LHCb-detector tussen 2011 en 2018, overeenkomend met een geïntegreerde lichtkracht van $9 \text{ fb}^{-1}$ (3 $\text{fb}^{-1}$ bij $\sqrt{s} = 7, 8$ TeV en 6 $\text{fb}^{-1}$ bij 13 TeV). De studie richt zich op verplaatste $\chi_{c1}(3872)$-kandidaten die ontstaan uit het verval van langlevende beauty-hadronen.

• Selectie: De analyse selecteert $J/\psi \to \mu^+\mu^-$-kandidaten die verplaatst zijn ten opzichte van het primaire interactievertex. Deze worden gecombineerd met een paar tegengesteld geladen sporen geïdentificeerd als muonen (voor het signaal) of pionen (voor de normalisatiemodus, $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$).
• Onderdrukking van Achtergronden: Om achtergronden van pionen die als muonen worden geïdentificeerd in de signaalmodus te verwerpen, wordt een Boosted Decision Tree (BDT1)-classificator getraind met simulatie en gevalideerd met de controlemodus $\chi_{c1}(1P) \to J/\psi\mu^+\mu^-$. Een tweede BDT (BDT2) wordt ingezet om combinatorische achtergronden van willekeurige $J/\psi$- en muoncombinaties te verminderen.
• Massamodellering: De signaalyield wordt geëxtraheerd via een uitgebreide ongebinde maximum-likelihood-fit naar de invariant-massa-verdeling van $J/\psi\mu^+\mu^-$. De signaallijnvorm wordt gemodelleerd door een Breit-Wigner-functie die is geconvolueerd met een double-sided Crystal Ball-functie. De combinatorische achtergrond wordt gemodelleerd door een polynoom van de eerste orde vermenigvuldigd met een fase-ruimtefactor. De fit bevat componenten voor het $\chi_{c1}(3872)$-signaal, combinatorische achtergrond, achtergrond door pionmisidentificatie en een potentiële $\chi_{c0}(3915)$-bijdrage. Kandidaten met hetzelfde teken ($J/\psi\mu^\pm\mu^\pm$) worden gebruikt om de achtergrondvorm te beperken.
• Efficiëntie en Normalisatie: De vertakkingsfractie wordt gemeten ten opzichte van de overvloedige $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$-modus. Relatieve detectie- en selectie-efficiënties worden geëvalueerd met simulatie, met correcties toegepast voor deeltjesidentificatie (PID) en verschillen in BDT-prestaties tussen data en simulatie.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten
Het artikel rapporteert de eerste observatie van het $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$-verval.

• Significantie: Het signaal wordt waargenomen met een statistische significantie van $6,5\sigma$, inclusief systematische onzekerheden gerelateerd aan het massamodel.
• Yields: De totale gefitte yield voor het signaal is $60 \pm 11$ gebeurtenissen over Run 1 en Run 2. De gefitte massa is $3872,58 \pm 0,83$ MeV. De yield voor de $\chi_{c0}(3915)$-toestand blijkt $14 \pm 14$ te zijn, wat aangeeft dat de huidige dataset onvoldoende is om sterke conclusies te trekken over zijn aanwezigheid in dit kanaal.
• Verhouding van Vertakkingsfracties: De verhouding van vertakkingsfracties wordt gemeten als:
  $$\frac{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-)}{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-)} = (1,68 \pm 0,32 \pm 0,05) \times 10^{-3}$$
  waarbij de eerste onzekerheid statistisch en ongecorreleerd systematisch is, en de tweede gecorreleerd systematisch.
• Absolute Vertakkingsfractie: Met behulp van de bekende vertakkingsfractie voor de normalisatiemodus wordt de absolute vertakkingsfractie bepaald als:
  $$\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-) = (7,2 \pm 2,7) \times 10^{-5}$$
  Dit resultaat is consistent met de theoretische voorspelling van $(4,2 \pm 1,7) \times 10^{-5}$ gevonden in Ref. [15], die alleen de Dalitz-bijdrage in overweging neemt.

Betekenis van het Werk
De auteurs stellen dat deze eerste observatie kan helpen de aard van de $\chi_{c1}(3872)$-toestand te verduidelijken en potentiële wegen voor toekomstig onderzoek te identificeren. Het artikel merkt op dat met een grotere dataset het mogelijk zal zijn om de vervalformfactoren te bestuderen om bijdragen van de virtuele foton en $\rho^0$- of $\omega$-mesonen te ontwarren. Bovendien zou een grotere dataset een gedetailleerdere studie van de versterking die consistent is met de $\chi_{c0}(3915)$-toestand mogelijk maken om te bepalen welke toestanden in dit massagebied aanwezig zijn. Het werk bouwt voort op eerdere observaties van vergelijkbare muonische Dalitz-vervallen van $\chi_c$- en $\chi_b$-mesonen.