Measurements of the branching fractions of \boldmath $χ_{cJ}\toΣ^0\barΣ^0η$

Diep binnen de structuur van het universum wordt materie bijeen gehouden door een kracht die zo krachtig is dat zij de kernen van atomen bindt. Deze kracht, bekend als de sterke interactie, wordt beheerst door een set regels genaamd kwantumchromodynamica. Hoewel wetenschappers de wiskunde van deze kracht bij hoge energieën hebben beheerst, blijft het domein van lage energie een mistig landschap vol mysteries. Hier gedragen deeltjes zich niet als eenvoudige biljartballen; ze tollen en interageren op complexe manieren die moeilijk te voorspellen zijn. Om dit verborgen gebied in kaart te brengen, gebruiken natuurkundigen vaak speciale, kortstondige deeltjes die charmonium-toestanden worden genoemd. Dit zijn als kleine, zware laboratoria, gecreëerd in deeltjesversnellers, waarbij een charm-quark en zijn antimaterie-partner, de anti-charm-quark, om elkaar heen draaien. Wanneer deze paren vervallen, vallen ze uiteen in andere deeltjes, wat een inkijkje biedt in de regels die hun ontbinding beheersen. Door precies te bestuderen hoe deze zware paren uit elkaar vallen, kunnen onderzoekers de grenzen van hun huidige begrip testen en zoeken naar barsten in de theorie die naar nieuwe fysica kunnen wijzen.

Een onderzoeker die gebruikmaakt van de BESIII-detector bij de BEPCII-collider in Beijing heeft onlangs een voorheen donkere hoek van dit landschap verlicht. De onderzoeker analyseerde een enorme collectie gegevens die meer dan 2,7 miljard botsingen van elektronen en positronen bevat. Uit deze enorme dataset richtte de onderzoeker zich op een specifiek type zwaar deeltje dat bekend staat als de chi-c, die in drie licht verschillende varianten voorkomt, onderscheiden door hun spin. De onderzoeker zocht naar een specifiek, zeldzaam evenement: het moment waarop een van deze chi-c deeltjes vervalt in een trio van andere deeltjes—een neutrale sigma-baryon, zijn antimaterie-tweeling en een neutrale eta-meson. Tot nu toe was dit specifieke verval nog nooit gezien, noch in experimenten, noch in theoretische berekeningen. De onderzoeker reconstrueerde deze gebeurtenissen door het puin te volgen dat achterbleef, waarbij specifiek werd gezocht naar een signatuurpatroon van protonen, antiprotonen, pionen en vijf fotonen die de aanwezigheid van de gewenste deeltjes zouden bevestigen.

Na het doorzoeken van de miljarden botsingen rapporteerde de onderzoeker de eerste waarnemingen van dit verval voor alle drie de varianten van het chi-c deeltje, met statistische significanties van respectievelijk 7,2σ, 5,7σ en 6,7σ. Hoewel deze resultaten sterk genoeg zijn om de eerste waarnemingen te claimen, merkte de onderzoeker op dat het bewijs voor één kanaal (5,7σ) iets onder de typische 6σ-drempel ligt die in sommige contexten wordt gebruikt voor definitieve waarnemingen. De onderzoeker mat hoe vaak dit verval voorkomt ten opzichte van het totaal aantal geproduceerde chi-c deeltjes, en bepaalde de waarschijnlijkheid, of vertakkingsfractie, voor elk geval. Voor de eerste variant vindt het verval ongeveer 9,7 keer plaats per 100.000 chi-c deeltjes. Voor de tweede variant gebeurt het ongeveer 4,9 keer per 100.000, en voor de derde ongeveer 6,1 keer per 100.000. Deze getallen leveren de eerste concrete datapunten voor deze specifieke interactie, waardoor natuurkundigen kunnen vergelijken hoe de verschillende spin-toestanden van het ouderdeeltje de uitkomst beïnvloeden.

De onderzoeker onderzocht ook de rangschikking van de deeltjes terwijl ze uiteenvlogen om te zien of ze tijdelijke, tussenliggende structuren vormden, zoals een nieuw type aangeslagen deeltje. Er werd nauwkeurig gekeken naar de massacomcombinaties van de deeltjes in de uiteindelijke groep, zoekend naar onverwachte klonten of resonanties die een nieuwe staat van materie zouden signaleren. De data toonden geen significante structuren in de massaverdelingen van de deeltjesparen onder de huidige statistieken; de deeltjes lijken direct uit het verval voort te komen zonder enige tussenliggende stappen te vormen. De afwezigheid van deze nieuwe structuren is even belangrijk als de ontdekking van het verval zelf, aangezien het bepaalde theoretische modellen uitsluit die voorspelden dat dergelijke tussenliggende toestanden zouden bestaan. Bovendien, door deze resultaten te vergelijken met eerdere metingen van soortgelijke vervallen waarbij geladen deeltjes betrokken waren, vond de onderzoeker dat de snelheden overeenkwamen met de verwachtingen op basis van de symmetrie van de natuur, bekend als isospin. Dit suggereert dat de sterke kracht deze verschillende deeltjescombinaties met een consistente hand behandelt, wat het standaardmodel van de deeltjesfysica versterkt.

De bevindingen bieden ook een subtiele aanwijzing over de interne mechanica van deze vervallen. Wanneer de onderzoeker de sterkte van het verval voor de verschillende spin-varianten vergeleken, merkte de onderzoeker op dat de eerste variant anders zich gedroeg dan de andere twee. Dit verschil in gedrag suggereert dat de eerste variant zou kunnen mengen met een ander, meer exotisch type deeltje dat door de theorie wordt voorspeld, of dat het via een uniek mechanisme vervalt. Hoewel de data niet bevestigt wat er precies aan de hand is, vormt het een cruciaal nieuw puzzelstukje. De ontdekking van deze vervallen, samen met de precieze metingen van hun snelheden, geeft theoretici een nieuw ijkpunt om hun modellen tegen te toetsen. Het bevestigt dat de sterke kracht op een manier werkt die toestaat dat deze specifieke combinaties gevormd worden, terwijl het tegelijkertijd de zoektocht naar de diepere redenen achter de verschillen in hoe deze deeltjes uit elkaar vallen, verfijnt. Terwijl het vakgebied vooruitgaat, zullen deze metingen dienen als een fundament voor toekomstige experimenten die gericht zijn op het ontrafelen van de resterende mysteries van de sterke interactie.