Observation of the charmless purely baryonic decay $\Lambda_b^{0} \to \Lambda p \bar{p}$ at LHCb

In deze studie rapporteert het LHCb-experiment de eerste waarneming van de charmloze zuivere baryonische verval $\Lambda_b^{0} \to \Lambda p \bar{p}$ en wordt de vertakkingsverhouding gemeten ten opzichte van de normalisatiemodus $\Lambda_b^{0} \to \Lambda K^+K^-$.

De kern

Stel je voor dat het universum een enorme, chaotische bouwplaats is waar de kleinste deeltjes (zoals bouwstenen) voortdurend botsen en in duizenden nieuwe vormen veranderen. Deeltjesfysici zijn als detectives die proberen te achterhalen welke bouwstenen in welke combinaties ontstaan.

Dit paper is het verslag van een spannende vondst door het LHCb-team (een groep wetenschappers aan de Large Hadron Collider in Zwitserland). Hier is wat ze hebben gedaan, vertaald in alledaags taal:

1. Het Grote Zoektocht: Een "Onmogelijke" Bouw

Normaal gesproken zijn de zware deeltjes die deze wetenschappers bestuderen (zoals het Lambda-b-deeltje) vaak "vol" met andere zware deeltjes, zoals charme-deeltjes. Maar deze keer zochten ze naar iets heel speciaals: een deeltje dat geen charme bevat, maar wel volledig uit "baryonen" bestaat.

• De Analogie: Stel je voor dat je een auto hebt die normaal gesproken altijd een speciale, zware motor (charme) heeft. Nu willen ze bewijzen dat je die auto ook kunt bouwen met alleen maar gewone onderdelen (protonen en neutronen), zonder die speciale motor. Dat is zeldzaam en moeilijk te vinden.

Het deeltje dat ze zochten heet $\Lambda^0_b \to \Lambda p \bar{p}$.

• Het begint met een zwaar deeltje ($\Lambda^0_b$).
• Het valt uiteen in drie stukjes: een Lambda-deeltje ($\Lambda$), een proton ($p$) en een anti-proton ($\bar{p}$).
• Het is "puur baryonisch" omdat alle drie de eindstukken van het "familie" van deeltjes zijn die normaal gesproken de kern van atomen vormen.

2. De Methode: De "Vergelijkings-Weegschaal"

Het is heel moeilijk om precies te meten hoe vaak zo'n zeldzame gebeurtenis plaatsvindt. Het is alsof je in een enorme menigte probeert te tellen hoeveel mensen een specifiek, gekleurd hoedje dragen. Je weet niet precies hoeveel mensen er zijn, dus tellen is lastig.

De oplossing van het team was slim:

• Ze zochten niet alleen naar hun zeldzame deeltje, maar ook naar een bekende, vergelijkbare deeltjes ($\Lambda^0_b \to \Lambda K^+ K^-$) die veel vaker voorkomen.
• De Analogie: Stel je wilt weten hoe vaak iemand een blauwe bal gooit, maar je weet niet hoe vaak ze überhaupt ballen gooien. Je telt dan hoeveel keer ze een rode bal gooien (die je kent) en hoeveel keer ze een blauwe bal gooien. Als je weet dat ze 100 keer een rode bal gooien en 5 keer een blauwe, weet je dat de blauwe bal 5% van de rode is.
• Door deze twee te vergelijken, vallen veel meetfouten en onzekerheden tegen elkaar weg.

3. De "Filter" en de "Noodstop"

Om de echte signalen te vinden, gebruikten ze een computerprogramma dat als een zeer strenge douane werkt.

• Ze keken naar data van 2015 tot 2018 (een enorme hoeveelheid data, goed voor 6.0 fb⁻¹).
• Ze hadden een regel: "Kijk niet naar de resultaten voordat we alles klaar hebben." Dit noemen ze "blind analysis".
• De Analogie: Het is alsof je een blinddoek opzet terwijl je een puzzel oplost. Je mag pas kijken of je het goed hebt gedaan als je alle stukjes op de juiste plek hebt. Dit voorkomt dat je onbewust zoekt naar wat je hoopt te zien in plaats van wat er echt is.

Ze splitsten hun zoektocht ook in twee categorieën:

1. LL (Long): De deeltjes vliegen rechtstreeks door de detector (als een trein die direct door een station rijdt).
2. DD (Downstream): De deeltjes vallen pas buiten de detector uit elkaar (als een trein die pas uit elkaar valt nadat hij het station gepasseerd is). Ze hielden beide groepen vast omdat ongeveer de helft van hun "slachtoffers" in deze tweede groep zat.

4. De Resultaten: Een Zeldzame Vondst

Toen ze de blinddoek afnamen, zagen ze iets fantastisch:

• Ze vonden 39 gevallen van hun zeldzame deeltje ($\Lambda p \bar{p}$).
• Ze vonden 640 gevallen van het bekende deeltje ($\Lambda K^+ K^-$).
• De kans dat dit toeval was, is extreem klein. De statistische zekerheid is 5,1 sigma.
• De Analogie: In de wetenschap betekent "5 sigma" dat als je 3,5 miljoen keer een munt opgooit, je maar één keer zo'n resultaat zou krijgen door puur geluk. Het is dus een ontdekking, geen toeval.

Ze berekenden dat hun zeldzame deeltje ongeveer 5,1% zo vaak voorkomt als het bekende deeltje (in het specifieke gebied waar ze keken).

5. Waarom is dit belangrijk?

• Nieuw Lab: Het is de eerste keer dat we dit specifieke type "puur baryonisch" verval zien. Het is als het vinden van een nieuwe soort dier in de jungle.
• Toekomst: Nu ze weten dat het bestaat, kunnen ze in de toekomst (met meer data van LHCb Run 3) kijken of er iets vreemds gebeurt, zoals CP-schending.
  • De Analogie: CP-schending is alsof je een spiegelbeeld ziet dat niet precies hetzelfde doet als het origineel. Als materie en antimaterie niet exact hetzelfde doen, helpt dit ons te begrijpen waarom het universum bestaat en niet uit niets is verdwenen.

Samenvatting

Kortom: Het LHCb-team heeft voor het eerst bewezen dat een zwaar deeltje kan vervallen in een combinatie van drie "normale" deeltjes zonder de zware "charme"-motor. Ze hebben dit bewezen door het te vergelijken met een bekend deeltje, met een statistische zekerheid die onmogelijk toeval kan zijn. Het is een grote stap in het begrijpen van de bouwstenen van ons universum.

Technische samenvatting

Titel: Waarneming van de charmloze puur baryonische verval $\Lambda_b^0 \to \Lambda p\bar{p}$

Auteur: A. Brea Rodriguez (namens de LHCb-collaboratie)
Instituut: École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)

---

1. Het Probleem en de Context

Puere baryonische vervallen van beauty-hadronen bieden een unieke omgeving om de dynamica van meerdeeltjes baryonische eindtoestanden te bestuderen en te zoeken naar CP-schendingseffecten in systemen met een rijke spinstructuur. Hoewel er de afgelopen jaren diverse baryonische B-meson-vervallen zijn waargenomen, blijven puur baryonische vervallen grotendeels onontgonnen terrein.

Tot nu toe waren de enige experimenteel bevestigde puur baryonische modi $\Lambda_b^0 \to \Sigma_c^+ \bar{p} p$ en $\Lambda_b^0 \to \Sigma_c^{*+} \bar{p} p$, waargenomen door LHCb in de context van $\Lambda_b^0 \to \Lambda_c^+ \bar{p} \pi^-$-studies. Er was nog geen specifieke zoektocht gedaan naar een puur baryonisch verval van een baryon, en zeker geen waarneming van een dergelijk verval zonder charm-quarks (charmloos). Theoretische berekeningen voorspellen een vertakkingsratio van ongeveer $3.2 \times 10^{-6}$, maar dit was nog niet experimenteel bevestigd.

2. Methodologie

Dataverzameling en Detector:

• Dataset: De analyse maakt gebruik van de volledige Run 2-data van het LHCb-experiment, verzameld tussen 2015 en 2018, met een geïntegreerde lichtsterkte van 6,0 fb⁻¹.
• Detector: Het LHCb-detector is een enkel-arm voorwaartse spectrometer ($2 < \eta < 5$) die is ontworpen voor het bestuderen van hadronen met $b$- of $c$-quarks.
• Reconstructie: Het $\Lambda$-baryon wordt gereconstrueerd via het verval $\Lambda \to p\pi^-$. De analyse onderscheidt twee categorieën op basis van de reconstructie van de sporen:
  • LL (Long): Beide vervalproducten worden gereconstrueerd in de vertexdetector.
  • DD (Downstream): Het $\Lambda$-baryon verval buiten het bereik van de vertexdetector. Ongeveer de helft van de kandidaten valt in deze categorie.

Analysestrategie:

• Normalisatie: De vertakkingsratio wordt gemeten ten opzichte van een topologisch vergelijkbaar normalisatiemodus: $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$. Dit minimaliseert systematische onzekerheden.
• Selectie: Een gemeenschappelijke strategie wordt toegepast voor signaal en normalisatie, inclusief triggers, offline reconstructie, preselectie, een XGBoost-classificator (machine learning), deeltjesidentificatie (PID) en veto's op charm-hadronen.
• Afsnijwaarde: Een eis $m(h^+h^-) < 2,85$ GeV wordt gesteld om het charmonium-gebied uit te sluiten.
• Fitmodel: Een uitgebreide ongebinde maximum-likelihood-fit wordt simultaan uitgevoerd op vier invariant-massa spectra (LL en DD voor zowel signaal als normalisatie).
  • Signaalvormen worden gemodelleerd met dubbelzijdige Crystal Ball-functies.
  • Combinatorische achtergrond wordt beschreven met exponentiële functies.
  • Er wordt rekening gehouden met een mogelijke bijdrage van $\Xi_b^0 \to \Lambda p\bar{p}$ (ongeveer 175 MeV boven de $\Lambda_b^0$-piek).
• Efficiëntiecorrectie: Efficiëntiekaarten worden opgesteld op basis van simulatie (Pythia, EvtGen, Geant4) en gecombineerd met de data-gedistribueerde Dalitz-verdelingen (via de sPlot-techniek) om niet-uniforme populaties in de fase-ruimte te corrigeren.

3. Belangrijkste Bijdragen

1. Eerste Waarneming: Dit paper rapporteert de eerste waarneming van het charmloze puur baryonische verval $\Lambda_b^0 \to \Lambda p\bar{p}$.
2. Eerste Baryonische Waarneming: Het is de eerste specifieke zoektocht naar een puur baryonisch verval van een baryon (in tegenstelling tot mesonen).
3. Meting van Vertakkingsratio: Voor het eerst wordt de relatieve vertakkingsratio gemeten ten opzichte van $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$.
4. Significantie: De analyse levert een signaalsignificantie van 5,1$\sigma$ op (na inachtneming van systematische onzekerheden), wat voldoet aan de criteria voor een officiële waarneming in de deeltjesfysica.

4. Resultaten

• Signaalopbrengst:
  • $N(\Lambda_b^0 \to \Lambda p\bar{p}) = 39,3 \pm 9,7$
  • $N(\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-) = 640 \pm 31$
• Statistische Significantie:
  • Statistisch: 5,2$\sigma$.
  • Inclusief systematische onzekerheden: 5,1$\sigma$.
• Gemeten Verhouding:
  De relatieve vertakkingsratio in het gebied $m(h^+h^-) < 2,85$ GeV is:
  $$R_{\Lambda_b^0} = (5,13 \pm 1,28_{stat} \pm 0,27_{syst}) \times 10^{-2}$$
  Dit komt overeen met een absolute vertakkingsratio van ongeveer $1,6 \times 10^{-7}$ (gebaseerd op de bekende waarde van de normalisatiemodus), hoewel de paper zich beperkt tot de relatieve meting vanwege de restrictie op de invariant-massa.
• Andere Modi: Er is een kleine excess waargenomen voor $\Xi_b^0 \to \Lambda p\bar{p}$ met een significantie van 2,3$\sigma$, maar er wordt geen vertakkingsratio voor gerapporteerd vanwege gebrek aan specifieke efficiëntiegegevens en hadronisatieverhoudingen.
• Systematische Onzekerheden: De totale systematische onzekerheid bedraagt 5,3%, voornamelijk veroorzaakt door tracking-efficiëntie (4,3%) en fit-modellering (2,8%).

5. Betekenis en Conclusie

Deze analyse markeert een mijlpaal in de studie van zware quark-vvallen. Het bewijst dat charmloze puur baryonische vervallen van beauty-baryonen experimenteel toegankelijk zijn. De gemeten verhouding is consistent met theoretische verwachtingen binnen de onzekerheden.

De resultaten bieden een nieuwe basis voor:

• Het testen van theoretische modellen voor meerdeeltjes baryonische dynamica.
• Toekomstige zoektochten naar CP-schending in dit systeem.
• Verdere studies met de grotere datasets uit Run 3 van LHCb, die het mogelijk zullen maken om gedetailleerde analyses van de invariant-massa spectra en de zoektocht naar de gerelateerde $\Xi_b^0 \to \Lambda p\bar{p}$-modus uit te breiden.