Observation of the charmless purely baryonic decay $\mathinner{\mathit{\Lambda}^0_b\!\to \mathit{\Lambda} p \overline{p}}$

Met behulp van proton-proton botsingsdata van het LHCb-experiment hebben onderzoekers voor het eerst de charmloze zuiver baryonische verval $\mathinner{\mathit{\Lambda}^0_b\!\to \mathit{\Lambda} p \overline{p}}$ waargenomen met een significantie van 5,1 standaardafwijkingen en de vertakkingsfractie daarvan gemeten ten opzichte van $\mathinner{\mathit{\Lambda}^0_b\!\to \mathit{\Lambda} K^+ K^-}$.

De kern

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN voor als een enorme, supersnelle renbaan voor deeltjes. Wetenschappers laten protonen met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar botsen om een chaotische explosie te creëren van nieuwe, kortlevende deeltjes. De meeste van deze deeltjes lijken op vluchtige bubbels die direct knappen, maar sommige zijn zeldzame, exotische wezens waar wetenschappers jarenlang naar zoeken om er ook maar een glimp van op te vangen.

Dit artikel gaat over de LHCb-samenwerking (een specifiek team van wetenschappers bij CERN) dat erin slaagde een van deze zeldzame wezens te spotten: een specifiek type verval genaamd $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$.

Hier is het verhaal van hoe ze het vonden, eenvoudig uitgelegd:

1. Het zeldzame gebeurtenis: Een "puur baryonische" uit elkaar vallen

In de wereld van de deeltjesfysica worden deeltjes vaak gegroepeerd in families. Een familie heet baryonen (waartoe protonen en neutronen behoren). Meestal, wanneer een zwaar deeltje uit elkaar valt, verandert het in een mix van verschillende soorten deeltjes.

De wetenschappers zochten naar een zeer specifieke, "pure" uit elkaar val. Ze wilden zien hoe een zwaar deeltje genaamd een $\Lambda_b^0$ (Lambda-b-nul) uit elkaar viel en alleen in andere baryonen veranderde: een $\Lambda$ (Lambda)-deeltje en twee protonen ($p$).

• De analogie: Stel je een zware, complexe speelgoedauto voor die crasht. Normaal gesproken explodeert deze in wielen, glas en plastic. Maar dit team zocht naar een crash waarbij de auto op de een of andere manier alleen in drie andere speelgoedauto's veranderde, zonder dat er glas of plastic overbleef. Dit noemen ze een "puur baryonisch" verval. Het is een zeer strenge, zeldzame regel die het universum moet volgen.

2. De uitdaging: Een naald in een hooiberg vinden

Het probleem is dat deze specifieke crash ongelooflijk zeldzaam is. Voor elke keer dat dit gebeurt, gebeuren er miljoenen andere, veel voorkomende crashes die er heel erg op lijken.

• De analogie: Stel je voor dat je probeert een specifieke, unieke munt te vinden in een gigantische hoop zand. Om het moeilijker te maken, lijkt de unieke munt bijna exact op de miljoenen andere munten in de hoop.

Om dit op te lossen, gebruikten de wetenschappers een slimme truc: de normalisatiemodus.
In plaats van te proberen exact te tellen hoeveel unieke munten ze hadden gevonden (wat moeilijk is omdat ze de totale grootte van de zandhoop niet kennen), zochten ze naar een iets andere, maar zeer vergelijkbare munt die ze al wisten te vinden.

• Ze vergeleken de zeldzame "alleen-protonen"-crash ($\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$) met een vaker voorkomende "proton-en-kaon"-crash ($\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$).
• Door de twee te vergelijken, vielen veel rommelige variabelen (zoals hoe groot de zandhoop was of hoe goed hun muntzeefmachine was) tegen elkaar weg. Het is als zeggen: "We vonden 1 zeldzame munt voor elke 20 gewone munten," wat veel makkelijker te meten is dan het tellen van het totale aantal munten in het universum.

3. De filter: De rommel opruimen

De gegevens die ze verzamelden, zaten vol met "ruis": nepsignalen veroorzaakt door deeltjes die zich verkeerd gedroegen of andere soorten verval die erop leken.

• De "Charm"-uitsluiting: De wetenschappers moesten zeer voorzichtig zijn om deeltjes te negeren die afkomstig waren van "charm"-quarks (een ander type deeltjesfamilie). Ze stelden digitale filters op om te zeggen: "Als dit eruit ziet alsof het van een charm-deeltje komt, gooi het weg."
• De "Resonantie"-filter: Ze moesten ook gevallen negeren waarbij de deeltjes kortstondig een tijdelijk, zwaar "resonantie"-deeltje vormden (zoals een kortlevende tussenstap). Ze stelden een regel op: "Als het gecombineerde gewicht van de deeltjes te zwaar is (boven de 2,85 GeV), negeer het." Dit zorgde ervoor dat ze alleen keken naar de directe, pure uit elkaar val die ze wilden.

4. Het resultaat: Een "5-sigma"-ontdekking

Nadat ze hun gegevens door complexe computermodellen en statistische tests hadden geleid, waren de resultaten duidelijk:

• Het signaal: Ze vonden een duidelijke "bult" in de gegevens waar het zeldzame verval plaatsvond.
• De significantie: In de wetenschap is een "5-sigma"-resultaat de gouden standaard. Dit betekent dat er minder dan 1 op 3,5 miljoen kans is dat dit resultaat slechts een willekeurige toevalstreffer is.
• De metafoor: Het is alsof je een munt 100 keer opgooit en elke keer kop krijgt. Je bent nu 100% zeker dat de munt valselijk is. De wetenschappers zijn nu 100% zeker dat dit verval bestaat.

5. Wat ze maten

Ze zeiden niet alleen "het bestaat". Ze maten hoe vaak het gebeurt in vergelijking met het veel voorkomende verval.

• Ze ontdekten dat voor elke 100 keer dat het veel voorkomende verval gebeurt, het zeldzame "alleen-protonen"-verval ongeveer 5 keer gebeurt.
• Ze berekenden deze verhouding met een hoge mate van precisie, rekening houdend met alle mogelijke fouten in hun apparatuur en wiskunde.

6. Een klein mysterie

Terwijl ze naar de gegevens keken, zagen ze ook een kleine, vaag "bult" die misschien een ander zeldzaam deeltje was genaamd de $\Xi_b^0$ die op een vergelijkbare manier verviel. Dit was echter niet sterk genoeg om een ontdekking te zijn (slechts ongeveer 2,3 sigma). Ze noteerden het als een "misschien", maar ze beweerden niet dat ze het al hadden gevonden.

Samenvatting

Kortom, het LHCb-team slaagde erin een glimp op te vangen van een zeer zeldzame, "pure" deeltjesuit elkaar val die nog nooit eerder was gezien. Ze gebruikten een slimme vergelijkingsmethode om de ruis te filteren, bevestigden de ontdekking met een hoge statistische zekerheid en maten precies hoe vaak het gebeurt ten opzichte van een vergelijkbaar, veel voorkomend gebeurtenis. Dit helpt fysici om de regels van het universum te begrijpen en hoe materie transformeert op het meest fundamentele niveau.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Observatie van de Charmloze Zuiver Baryonische Verval $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$

Probleem en Motivatie
Het bestuderen van verval van $b$-hadronen naar baryonische eindtoestanden blijft een aanzienlijke, maar grotendeels onontgonnen grens in de hadronische flavourfysica. Hoewel er recentelijk verschillende nieuwe vervalfrequenties zijn waargenomen, waaronder charmloze vier-liggaam baryonische $B$-verval en de eerste zuiver baryonische $B$-mesonverval, zijn zuiver baryonische verval van $b$-baryonen (processen waarbij uitsluitend baryonen in de eindtoestand voorkomen) schaars. Momenteel zijn slechts twee dergelijke modi gemeten: $\Lambda_b^0 \to \Sigma_c^0 p p$ en $\Lambda_b^0 \to \Sigma_c^{*0} p p$. Theoretische voorspellingen suggereren dat zuiver baryonische verval, zoals $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$, unieke kansen bieden om CP-asymmetrieën en schendingen van de tijd-omkeersymmetrie (T) te bestuderen vanwege hun rijke spinstructuren. Bovendien worden versterkingen bij de massadrempel van di-baryonparen in de eindtoestand verwacht. Dit artikel adresseert het gebrek aan experimentele data door de eerste zoektocht te presenteren naar het charmloze, zuiver baryonische verval $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-proton botsingsdata opgenomen door het LHCb-experiment bij een middelpuntsenergie van $\sqrt{s} = 13$ TeV, overeenkomend met een geïntegreerde lichtsterkte van $6.0 \text{ fb}^{-1}$ verzameld tijdens Run 2 (2015–2018).

• Signaal en Normalisatie: De zoektocht richt zich op het $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$ verval. Om het vertakkingspercentage te meten, maakt de analyse gebruik van een topologisch vergelijkbaar verval, $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$, als normalisatiemodus. Deze aanpak cancelt onzekerheden gerelateerd aan de $\Lambda_b^0$-productiecrosssectie en de geïntegreerde lichtsterkte.
• Reconstructie: $\Lambda$-baryonen worden gereconstrueerd via $\Lambda \to p \pi^-$. Kandidaten worden gecategoriseerd in twee topologieën op basis van de locatie van het $\Lambda$-vervalvertex: "long-long" (LL), waarbij beide dochtersporen worden gereconstrueerd in het vertexdetector, en "downstream-downstream" (DD), waarbij het $\Lambda$ buiten het vertexdetector verval.
• Selectiestrategie:
  • Pre-selectie: Vereist hoogwaardige sporen, significante impactparameters ten opzichte van het primaire vertex, en deeltjese identificatie (PID) om protonen te onderscheiden van kaonen.
  • Multivariate Analyse: Een XGBoost-classificator wordt getraind op gesimuleerde $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$-verval om het signaal te scheiden van combinatorische achtergrond, gebruikmakend van kinematische en topologische variabelen.
  • Charm-Veto's: Om bijdragen van intermediaire charmoniumresonanties en charm-hadronen uit te sluiten, worden invariant-massa-veto's toegepast. Specifiek wordt vereist dat de invariant-massa van het begeleidende hadronensysteem ($pp$ of $K^+K^-$) $m(h\bar{h}) < 2.85$ GeV is, waarmee het charmoniumgebied expliciet wordt uitgesloten. Aanvullende veto's verwerpen intermediaire $D^0$, $\Lambda_c^+$ en $\Xi_c^+$-toestanden.
• Efficiëntiebepaling: Relatieve efficiënties worden berekend met simulatie, gecorrigeerd voor verschillen tussen data en simulatie in tracking, trigger en PID. Om rekening te houden met niet-uniforme fase-ruimteverdelingen, worden efficiëntiekaarten geconstrueerd in vierkante Dalitz-variabelen en gewogen met sPlot-technieken op data.
• Opbrengstextractie: Een gelijktijdige ongebinde maximum-likelihood-fit wordt uitgevoerd op de invariant-massaverdelingen van de signaal- en normalisatiekandidaten over de LL- en DD-categorieën en vier data-opnametijdperken. Het fitmodel omvat signaalcomponenten (gemodelleerd door Crystal Ball-functies aan beide zijden), een gedeeltelijk gereconstrueerde bijdrage van $\Lambda_b^0 \to \Sigma^0 K^+ K^-$ voor de normalisatiemodus, en combinatorische achtergrond.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Eerste Observatie: De analyse rapporteert de eerste observatie van het $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$ verval. De signaalsignificantie, berekend met een likelihood-ratio teststatistiek en rekening houdend met systematische onzekerheden, bedraagt $5.1\sigma$.
• Meting van het Vertakkingspercentage: Het vertakkingspercentage van $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$ wordt gemeten relatief ten opzichte van $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$. Het resultaat is:
  $$\frac{\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to \Lambda p p)}{\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-)} = (5.1 \pm 1.3(\text{stat}) \pm 0.3(\text{syst})) \times 10^{-2}$$
  De totale systematische onzekerheid bedraagt ongeveer 5,3%, gedomineerd door onzekerheden in tracking-efficiëntie en fitmodellering.
• Signaalopbrengsten: De gefitte signaalopbrengsten bedragen $39 \pm 10$ voor de signaalmode en $640 \pm 31$ voor de normalisatiemode.
• Secundaire Observatie: Een kleine excess consistent met het $\Xi_b^0 \to \Lambda p p$ verval wordt waargenomen met een significantie van $2.3\sigma$. Er wordt echter geen vertakkingspercentage of bovengrens gerapporteerd voor deze mode, aangezien een gedetailleerde efficiëntiebepaling en kennis van relatieve hadronisatiefactoren vereist zijn.

Betekenis
Het artikel vestigt het bestaan van het $\Lambda_b^0 \to \Lambda p p$ verval, een zeldzaam charmloos zuiver baryonisch proces. De meting biedt de eerste experimentele input voor deze mode, die kan worden gebruikt om theoretische voorspellingen te toetsen met betrekking tot niet-factoriseerbare effecten, CKM-matrixelementen en hadronische vormfactoren. De auteurs merken op dat het waargenomen vertakkingspercentage onderdrukt is ten opzichte van $\Lambda_b^0 \to \Lambda K^+ K^-$, in overeenstemming met voorspellingen in Ref. [7]. Het resultaat vult bestaande metingen van mesonische eindtoestanden aan en opent een nieuwe weg voor het bestuderen van CP- en T-symmetrieschendingen in zuiver baryonische systemen. De auteurs concluderen dat toekomstige analyses met grotere datasets van het geüpgradede LHCb-detector meer gedetailleerde studies van het $\Lambda p p$-spectrum mogelijk zullen maken, inclusief potentiële drempelversterkingen.