Search for the decays $B_{(s)}^0\to J/\psi\gamma$ at LHCb

De LHCb-experimenten hebben met proton-protonbotsingsdata een zoektocht uitgevoerd naar de zeldzame vervalprocessen $B_{(s)}^0\to J/\psi\gamma$, waarbij nieuwe bovengrenzen voor de vertakkingsverhoudingen zijn vastgesteld die de eerdere resultaten van LHCb verbeteren.

De kern

Het Grote Speurtocht: Op zoek naar een spook in de deeltjeswereld

Stel je voor dat je een gigantische, supersnelle auto-ronde rijdt (deeltjesversneller LHC) waarbij je miljoenen auto's tegen elkaar laat botsen. Meestal ontstaan er bekende sporen: rook, banden, en afgebroken onderdelen. Maar de wetenschappers van het LHCb-experiment bij CERN zijn op zoek naar iets heel speciaals: een spookauto.

In de taal van de deeltjesfysica zijn die "spookauto's" zeldzame deeltjesprocessen die bijna nooit gebeuren. Ze zoeken naar een heel specifieke, zeldzame manier waarop een zwaar deeltje (een B-meson) kan verdwijnen en verandert in een ander deeltje (J/ψ) en een foton (lichtdeeltje).

1. Waarom is dit zo moeilijk?

Het is alsof je in een drukke stad met miljoenen mensen probeert één persoon te vinden die een onzichtbare hoed draagt.

• De verwachting: Volgens de regels van de natuurkunde (het Standaardmodel) zou dit proces heel zelden moeten gebeuren. Het is als het winnen van de loterij, maar dan met nog kleinere kansen.
• De kans op nieuwe regels: Als ze dit proces wel vinden, of als het vaker gebeurt dan verwacht, betekent dat dat er iets mis is met onze huidige regels. Het zou kunnen wijzen op "nieuwe fysica", zoals een geheime kracht of deeltjes die we nog niet kennen.

2. Hoe hebben ze gezocht? (De zoektocht)

De wetenschappers hebben gekeken naar een enorme berg data: 9 biljoen botsingen (samengevat als 9 fb⁻¹ aan geïntegreerde lichtsterkte). Ze hebben twee soorten "spookauto's" gecontroleerd:

1. De B0s (een soort zware deeltjesfamilie).
2. De B0 (een andere familie).

Ze hebben een slimme filter gebruikt, een soort digitale metaaldetector (een algoritme genaamd BDT), die door miljoenen botsingen heen scande om te zien of er een spoor was van:

• Twee muonen (een soort zware elektronen) die samen een J/ψ vormen.
• Een foton (licht) dat is omgezet in een elektron-positron paar (een soort spiegelbeeld).

3. Het resultaat: Geen spook gevonden

Na al die moeite, het analyseren van de data en het vergelijken met simulaties, was het nieuws... rustig.

• Geen spookauto gevonden. Ze zagen geen enkel duidelijk bewijs dat dit proces echt plaatsvond.
• De "spook" is te zwak: De signalen die ze zagen, waren niet sterker dan het "ruis" van de achtergrond (zoals het geluid van een drukke menigte dat je probeert te onderscheiden van een fluistering).

4. Wat betekent dit dan? (De grenslijn)

Omdat ze het niet hebben gevonden, hebben ze een grenslijn getrokken.

• Stel je voor dat je zegt: "Als er een spook is, moet het kleiner zijn dan 1% van de grootte van een muis."
• Ze hebben gezegd: "Het is onwaarschijnlijk dat dit proces vaker voorkomt dan 2,9 op de 1.000.000 keer."
• Dit is een verbetering ten opzichte van hun vorige zoektocht (in 2015). Ze hebben de zoektocht 2,5 keer scherper gemaakt. Ze hebben de "spookjacht" veel preciezer gemaakt.

5. Waarom is dit belangrijk als ze niets vonden?

In de wetenschap is "niets vinden" ook een groot succes, net als het vinden van een naald in een hooiberg door te zeggen: "Er zit geen naald in de eerste 100 kilo hooi."

• Het Standaardmodel wordt sterker: Omdat ze niets vonden, bevestigt dit dat de huidige theorieën (het Standaardmodel) waarschijnlijk kloppen. De "spookauto's" zijn niet zo groot als sommige andere theorieën voorspelden.
• De weg vrij voor de toekomst: Ze hebben nu een betere kaart gemaakt. Als er in de toekomst meer data wordt verzameld (met nog krachtigere versnellers), weten ze precies waar ze moeten kijken en hoe gevoelig hun apparatuur moet zijn.

Samenvattend in één zin:

De wetenschappers hebben met de krachtigste "spionnen" van de wereld (het LHCb-experiment) door een berg van 9 biljoen deeltjesbotsingen gezocht naar een heel zeldzaam, bijna onbestaand fenomeen; ze vonden het niet, maar hebben wel bewezen dat het, als het bestaat, nog veel zeldzamer is dan we dachten, en ze hebben de zoektocht voor de toekomst veel scherper gemaakt.

Technische samenvatting

Titel: Zoektocht naar de zeldzame vervalprocessen $B^0_{(s)} \to J/\psi\gamma$ bij LHCb

Auteurs: LHCb-samenwerking
Datum: 1 april 2026
Data: Geïntegreerde luminositeit van 9 fb$^{-1}$ (3 fb$^{-1}$ bij 7 en 8 TeV, 6 fb$^{-1}$ bij 13 TeV)

---

1. Het Probleem en de Fysische Context

De pure annihilatie-type radiatieve vervalprocessen $B^0_s \to J/\psi\gamma$ en $B^0 \to J/\psi\gamma$ zijn tot nu toe niet waargenomen. In het Standaardmodel (SM) treden deze vervalprocessen op via de uitwisseling van een $W$-boson tussen de $b$-quark en een lichtflavour-quark.

• Theoretische voorspellingen: De voorspellingen voor de vertakkingsverhoudingen (branching fractions) in het SM variëren sterk, afhankelijk van de gekozen factorisatiemethode. Voor $B^0_s \to J/\psi\gamma$ wordt een bereik voorspeld van $1.5 \times 10^{-7}$ tot $5 \times 10^{-6}$. Voor het Cabibbo-onderdrukte verval $B^0 \to J/\psi\psi\gamma$ is de voorspelling minstens één orde van grootte lager.
• Nieuwe Fysica: Deze vervalprocessen zijn krachtige proeven voor nieuwe fysica. Ze kunnen significant worden versterkt door fenomenen zoals intrinsieke charm in $B$-mesonen of door fysica buiten het Standaardmodel (bijvoorbeeld rechtshandige stromen).
• Huidige status: Eerdere experimenten (BaBar en LHCb Run 1) hebben alleen bovengrenzen bepaald. De strengste grens voor $B^0_s \to J/\psi\gamma$ was $7.3 \times 10^{-6}$, wat al dicht bij de bovenste theoretische voorspelling lag.

2. Methodologie

Dataverzameling en Selectie:
De analyse gebruikt proton-proton botsingsdata van LHCb uit Run 1 en Run 2.

• Reconstructie: Kandidaten worden gereconstrueerd via het verval $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ en fotonen die worden geïdentificeerd via conversie in elektron-positronparen ($e^+e^-$) in de detector.
• Categorisatie: Om de resolutie te optimaliseren, worden de kandidaten ingedeeld in twee categorieën op basis van waar de fotonconversie plaatsvindt:
  • Long: Conversie vroeg genoeg om volledige sporen in de vertexdetector te reconstrueren.
  • Downstream: Conversie later, waarbij sporen alleen in de downstream-trackers worden gevonden. De "downstream" categorie heeft een betere massa-resolutie.
• Trigger en Offline Selectie: De selectie vereist hoge $p_T$ muonen, een goed gedefinieerde vervalvertex en een significante vluchtafstand van de primaire vertex. Boosted Decision Trees (BDT) worden gebruikt om combinatorische achtergrond en deels gereconstrueerde achtergronden (zoals $B \to J/\psi \pi^0$ waarbij een foton mist) te onderdrukken.

Fits en Analyse:

• Massa-spectra: Een ongebonden maximum-likelihood-fit wordt uitgevoerd op de invariantmassa-verdeling $m(J/\psi\gamma)$.
• Model: Het signaal wordt gemodelleerd met een aangepaste Crystal Ball-functie (DSCB). Achtergronden worden beschreven met ARGUS-functies (voor deels gereconstrueerde vervallen) en Bernstein-polynomen (voor combinatorische achtergrond).
• Normalisatie: De vertakkingsverhoudingen worden genormaliseerd ten opzichte van het bekende verval $B^0 \to J/\psi\pi^0$. De analyse maakt gebruik van recente metingen van Belle II en LHCb voor de normalisatiekanalen en de verhouding van fragmentatie-facties ($f_s/f_d$).
• Onafhankelijkheid: De zoektochten naar $B^0_s$ en $B^0$ worden onafhankelijk uitgevoerd; bij de zoektocht naar het ene wordt het andere als nul verondersteld om bias te voorkomen.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Verbeterde Sensitiviteit: Deze analyse verbetert de limiet voor $B^0_s \to J/\psi\gamma$ met een factor 2,5 ten opzichte van de vorige LHCb-resultaten.
• Geavanceerde Achtergrondreductie: Het gebruik van geconverteerde fotonen en gescheiden BDT-classifiers voor "long" en "downstream" categorieën heeft de achtergrond van deels gereconstrueerde vervallen (vooral $B \to J/\psi \pi^0$) aanzienlijk gereduceerd.
• Systematische Onzekerheden: Een grondige behandeling van systematische onzekerheden, inclusief massa-resolutie, selectie-efficiëntie en achtergrondmodellen, waarbij correlaties tussen parameters in de fit worden meegenomen.

4. Resultaten

Er werd geen significant signaal waargenomen voor noch $B^0_s \to J/\psi\gamma$ noch $B^0 \to J/\psi\gamma$. De resultaten zijn consistent met de achtergrond-only hypothese (betekenis < 2$\sigma$).

Bepaalde bovengrenzen (90% en 95% betrouwbaarheidsniveau - CL):

• Voor $B^0_s \to J/\psi\gamma$:

  • $\mathcal{B} < 2.9 \times 10^{-6}$ (90% CL)
  • $\mathcal{B} < 3.4 \times 10^{-6}$ (95% CL)
  • Opmerking: De theoretische voorspelling van $5 \times 10^{-6}$ (op basis van perturbatieve QCD) wordt uitgesloten met een betrouwbaarheid van 99,7% (CLs-waarde 0,0029).

• Voor $B^0 \to J/\psi\gamma$:

  • $\mathcal{B} < 2.6 \times 10^{-6}$ (90% CL)
  • $\mathcal{B} < 3.5 \times 10^{-6}$ (95% CL)

De gemeten vertakkingsverhoudingen zijn respectievelijk $(1.34 \pm 0.78 \pm 0.33) \times 10^{-6}$ en $(0.61 \pm 0.50 \pm 0.18) \times 10^{-6}$, waarbij de eerste onzekerheid statistisch en de tweede systematisch is.

5. Betekenis en Conclusie

Deze studie vertegenwoordigt de meest nauwkeurige zoektocht tot nu toe naar deze pure annihilatie-radiatieve vervallen.

• Beperking van theorie: De nieuwe bovengrens voor $B^0_s \to J/\psi\gamma$ sluit de hoogste theoretische voorspellingen uit en dwingt theoretici om hun factorisatiemodellen te verfijnen.
• Nieuwe Fysica: Hoewel er geen bewijs is voor nieuwe fysica in deze specifieke kanalen, blijven deze processen cruciaal voor toekomstige metingen met grotere datasets. Met de verwachte toename aan data bij LHCb zal de gevoeligheid voldoende worden om voorspellingen van andere modellen (zoals $1.4 \times 10^{-6}$ of $(7.2 \pm 0.7) \times 10^{-7}$) te testen.
• Technische prestatie: De analyse demonstreert de kracht van LHCb bij het reconstrueren van zeldzame vervallen met geconverteerde fotonen en het effectief beheersen van complexe achtergronden in een omgeving met hoge multipliciteit.

Kortom, hoewel er geen ontdekking is gedaan, heeft deze analyse de experimentele grenzen aanzienlijk verlegd en een belangrijk referentiepunt gezet voor de zoektocht naar afwijkingen van het Standaardmodel in radiatieve $B$-meson vervallen.