Review of flavour physics at ATLAS and CMS

Dit artikel presenteert een uitgebreide review van recente resultaten op het gebied van de fysica van de smaak uit de ATLAS- en CMS-experimenten, gebaseerd op data van Run 2 en gedeeltelijke Run 3 van de LHC, die metingen omvat van quarkonia, charmproductie, eigenschappen van B-mesonen, all-charm tetraquarks en zeldzame vervalprocessen van zware smaakdeeltjes om de precisiegrens op dit gebied te verleggen.

De kern

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) voor als een massieve, supersnelle deeltjesrenbaan waar tiny subatomaire deeltjes met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar worden gebombardeerd. De ATLAS- en CMS-experimenten zijn als twee gigantische, ultrasensitieve camera's die rondom deze baan zijn gepositioneerd en miljarden foto's maken om te zien wat er gebeurt wanneer deze deeltjes botsen.

Dit artikel is een "fotoalbumrecensie" van deze twee camera's, met name gericht op een speciale groep deeltjes genaamd zware-flavoured deeltjes. Denk hierbij aan de "zwaargewichten" van de deeltjeswereld—deeltjes gemaakt van zware quarks (zoals bottom en charm) die veel zwaarder zijn dan die welke de atomen in je lichaam vormen.

Hier is een uiteenzetting van wat de wetenschappers hebben gevonden, eenvoudig uitgelegd:

1. De zwaargewichten wegen (productiecrosssecties)

De wetenschappers wilden weten hoe vaak deze zware deeltjes worden gecreëerd en hoe ze zich gedragen.

• De "Bottomonium"-familie: Ze keken naar een familie deeltjes genaamd $\Upsilon$ (Upsilon), die lijken op zware, gebonden paren van bottom-quarks. Voor het eerst maten ze hoe vaak deze verschijnen bij een recordbrekende energieniveau (13,6 TeV). Het is als controleren hoeveel zware vrachtwagens er worden geproduceerd op een fabriekslijn wanneer je de machine op maximaal vermogen zet. Ze vonden dat de aantallen zeer goed overeenkwamen met de "blauwdrukken" voorspeld door kwantumfysica (QCD).
• De "Charm"-boodschappers: Ze hielden ook de deeltjes in de gaten die "charm"-quarks bevatten. Ze maten hoe deze deeltjes zich over de detector verspreiden (als regen die onder verschillende hoeken valt). De resultaten kwamen overeen met de theoretische modellen, wat onze kennis bevestigt van hoe deze deeltjes ontstaan.

2. De tikkende klokken timen (levensduur en massa's)

• De $B^0$-stopwatch: Een specifiek deeltje, de $B^0$-meson, staat bekend om een levensduur van een tiny fractie van een seconde voordat het vervalt. Het ATLAS-experiment mat deze "levensduur" met ongelooflijke precisie—preciezer dan elke eerdere meting. Het is als een sprinter zo nauwkeurig timen dat je het verschil in hun pasmaat tot op de millimeter kunt zien.
• De "geëxciteerde" versus "grondtoestand": Ze keken ook naar "geëxciteerde" versies van B-mesonen (deeltjes die trillen met extra energie) en maten het tiny verschil in massa tussen deze geëxciteerde toestanden en hun rustige "grondtoestanden". Dit is als het tiny gewichtsverschil meten tussen een kalme gitaarsnaar en één die hard trilt.

3. Jagen op exotische "vier-quark"-clusters

Lange tijd dachten we dat deeltjes bestonden uit ofwel twee quarks (als een paar) of drie quarks (als een trio). Maar recentelijk zijn fysici gaan zoeken naar "tetraquarks"—deeltjes gemaakt van vier quarks die aan elkaar plakken.

• Het "all-charm"-mysterie: De wetenschappers zochten naar een specifiek type tetraquark dat volledig bestaat uit vier charm-quarks. Ze zochten hiernaar door te kijken naar hoe ze vervallen in paren van "J/$\psi$"-deeltjes.
• De bevindingen: Ze vonden sterke bewijzen voor drie nieuwe "resonanties" (klonters van deeltjes) bij specifieke energieniveaus (6,6, 6,9 en 7,1 GeV). Het is als het horen van een specifieke akkoord op een piano en beseffen dat er drie nieuwe, eerder onbekende noten worden gespeeld. De data suggereert dat dit inderdaad vier-quark clusters zijn, een zeldzame en exotische vorm van materie.

4. Op zoek naar "spookachtige" vervalprocessen (zeldzame gebeurtenissen)

Het laatste deel van het artikel gaat over het zoeken naar "verboden" of extreem zeldzame gebeurtenissen die volgens onze huidige regels (het Standaardmodel) niet zouden mogen gebeuren. Ze vinden zou zijn als een spook zien—het zou betekenen dat de regels van de natuurkunde herschreven moeten worden.

• Lepton-flavourschending: Ze zochten naar een tau-deeltje dat verandert in drie muonen ($\tau \to 3\mu$). Dit is als kijken naar een kat die plotseling verandert in drie muizen. Ze vonden er geen, wat goed nieuws is voor de huidige regels, maar ze stelden strikte grenzen aan hoe vaak dit zou kunnen gebeuren.
• De "vier-muon"-zoektocht: Ze zochten ook naar B-mesonen die vervallen in vier muonen. Ze verbeterden de gevoeligheid van deze zoektocht, waardoor het moeilijker wordt voor deze zeldzame gebeurtenissen om zich te verstoppen.
• De $B_s \to \phi \mu\mu$-spanning: Ze bestudeerden een specifiek verval waarbij een B-meson verandert in een phi-deeltje en twee muonen. Hoewel de resultaten grotendeels overeenkomen met de theorie, is er een kleine "spanning" (een licht verschil) van maximaal 4,2 standaardafwijkingen. Denk hierbij aan een lichte wankeling in de data die misschien wijst op nieuwe fysica, maar nog niet sterk genoeg is om een ontdekking te verklaren.

De bottom line

De ATLAS- en CMS-experimenten bewijzen dat ze niet alleen geweldig zijn in het vinden van het Higgs-boson; ze worden ook wereldklasse-detectives voor zware-flavour-fysica. Door hun massieve detectoren en slimme triggers (die fungeren als slimme filters om zeldzame gebeurtenissen te vangen) meten ze deeltjeseigenschappen met recordbrekende precisie en jagen ze op het exotische en zeldzame.

Hoewel ze nog geen "rookend pistool" voor nieuwe fysica hebben gevonden, hebben ze de schroeven van onze huidige theorieën aangedraaid, waardoor de zoektocht naar wat er verder ligt nog spannender wordt.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Review van Flavourfysica bij ATLAS en CMS

Probleem en Context
Flavourfysica fungeert als een cruciaal domein voor het testen van het Standaardmodel (SM) met hoge precisie en het onderzoeken van potentiële nieuwe fysica. Hoewel gewijde flavour-experimenten dit veld historisch hebben gedomineerd, hebben de algemene doeldetectoren ATLAS en CMS bij de Large Hadron Collider (LHC) zich gevestigd als concurrerende faciliteiten. Door gebruik te maken van hun bijna volledige hoekdekking, uitstekende vertexprestaties en superieure muonreconstructiecapaciteiten, vullen deze experimenten de inspanningen van gespecialiseerde projecten aan. Dit artikel bespreekt recente resultaten in flavourfysica behaald door ATLAS en CMS met behulp van proton-protonbotsingsdata uit LHC Run 2 en gedeeltelijk Run 3. De analyses richten zich specifiek op zware-flavour-vervallen, waarbij triggers worden gebruikt die ten minste twee muonen in het evenement vereisen om de acceptatie voor processen met lage energie te verhogen.

Methodologie
De review omvat een diverse reeks analyses die differentiële metingen, levensduurbepalingen en resonantiezoektochten toepassen:

• Cross-sectionmetingen: CMS mat productiekruisdoorsneden voor $\Upsilon(nS)$-toestanden ($n=1,2,3$) bij een zwaartepuntsenergie van 13,6 TeV met behulp van 37,4 fb$^{-1}$ aan Run 3-data. Deze metingen zijn differentiëel in transversale impuls ($p_T$) tot 200 GeV. ATLAS mat kruisdoorsneden voor $D^\pm$- en $D^\pm_s$-mesonen met behulp van 137 fb$^{-1}$ aan Run 2-data, waarbij de $p_T$-reikwijdte tot 100 GeV werd uitgebreid via het vervalkanaal $D \to \phi(\mu^+\mu^-)\pi^\pm$.
• Levensduur en massasplitsing: ATLAS bepaalde de levensduur van het $B^0$-meson ($\tau(B^0)$) met behulp van 140 fb$^{-1}$ aan Run 2-data. CMS voerde de eerste exclusieve reconstructie uit van geëxciteerde $B^*$-mesonen ($B^{*+}, B^{*0}, B^{*0}_s$) met behulp van 140 fb$^{-1}$ aan Run 2-data, waarbij fotonen werden gereconstrueerd via conversie ($\gamma \to e^+e^-$) om hyperfijne massasplitsingen te meten.
• Zoektochten naar exotische toestanden: Beide samenwerkingen zochten naar all-charm tetraquarks in de massaspectra van dubbel-charmonium ($J/\psi J/\psi$ en $J/\psi \psi(2S)$). CMS gebruikte gecombineerde data van Run 2 (135 fb$^{-1}$) en Run 3 (180 fb$^{-1}$), terwijl ATLAS 140 fb$^{-1}$ aan Run 2-data gebruikte, waarbij voor het eerst in dit kanaal het vervalkanaal $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$ werd opgenomen.
• Studies van zeldzame vervallen: Zoektochten naar vervallen die leptonflavour schenden ($\tau \to 3\mu$) werden uitgevoerd door beide experimenten. CMS rapporteerde ook de eerste observatie van $\eta \to \mu^+\mu^-e^+e^-$ en voerde zoektochten uit naar $B^0_s(B^0) \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$. Bovendien voerde CMS een differentiële meting uit van het zeldzame verval $B^0_s \to \phi \mu^+\mu^-$ met behulp van 138 fb$^{-1}$ aan Run 2-data, genormaliseerd ten opzichte van $B^0_s \to \phi J/\psi(\mu^+\mu^-)$.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Productie van zware flavour: De differentiële kruisdoorsneden voor $\Upsilon(nS)$-productie bij 13,6 TeV komen goed overeen met theoretische voorspellingen van niet-relativistische QCD (NRQCD). Evenzo zijn ATLAS-metingen van $D^\pm_s$-kruisdoorsneden tot $p_T = 100$ GeV consistent met voorspellingen van het GM-VFNS-schema (general-mass variable-flavour-number scheme).
• Precisieparameters: De ATLAS-meting van de $B^0$-levensduur levert $\tau(B^0) = 1,5053 \pm 0,0012 \text{ (stat)} \pm 0,0035 \text{ (syst)}$ ps op, wat de tot nu toe meest precieze meting vertegenwoordigt. CMS-metingen van hyperfijne splitsingen ($m(B^*) - m(B)$) bereikten een precisie die een orde van grootte beter was dan eerdere resultaten.
• All-charm tetraquarks: CMS observeerde drie resonanties in het $J/\psi J/\psi$-spectrum—$X(6600)$, $X(6900)$ en $X(7100)$—met significanties die $5\sigma$ overschrijden. De $X(6900)$ werd ook waargenomen in het $J/\psi \psi(2S)$-spectrum. Hoekanalyses suggereren dat deze toestanden compatibel zijn met all-charm tetraquarks met $J^{PC} = 2^{++}$. ATLAS bevestigde de $X(6900)$-resonantie, maar rapporteerde geen significante structuur bij 7,1 GeV.
• Zeldzame vervallen: Er werd geen significante excess gevonden in zoektochten naar $\tau \to 3\mu$, wat leidde tot bovengrenzen op het vertakkingspercentage van $B(\tau \to 3\mu) < 8,7 \times 10^{-8}$ (ATLAS) en $6,7 \times 10^{-8}$ (CMS) met een betrouwbaarheidsniveau van 90%. CMS observeerde het verval $\eta \to \mu^+\mu^-e^+e^-$ en verbeterde de grenzen voor $B^0_s(B^0) \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ met ongeveer 30%.
• $B^0_s \to \phi \mu^+\mu^-$-analyse: De differentiële kruisdoorsnede voor dit verval, gemeten in bins van $q^2$, komt goed overeen met recente LHCb-metingen. Echter, vergelijkingen met diverse theoretische voorspellingen onthullen spanningen tot $4,2\sigma$. De longitudinale polarisatiefraction ($F_L$) van het $\phi$-meson bleek goed overeen te komen met theoretische verwachtingen.

Betekenis
Het artikel stelt dat ATLAS en CMS zich met succes hebben gevestigd als concurrerende faciliteiten voor fysica van zware flavour, en metingen leveren die complementair zijn aan die van gespecialiseerde flavour-experimenten. De resultaten tonen het vermogen van deze algemene doeldetectoren om de precisiegrens in flavourfysica te verleggen via geavanceerde triggerstrategieën en reconstructietechnieken. De observaties van all-charm tetraquarks en de precieze metingen van eigenschappen van zware flavour dragen aanzienlijk bij aan de karakterisering van QCD-dynamica en de zoektocht naar fysica buiten het Standaardmodel. De lopende analyse van Run 3-data wordt verwacht het flavourfysica-programma van beide samenwerkingen verder te versterken.