Inclusive weak decays of the $J/\psi$: single-charm decay and weak annihilation

De subatomaire wereld wordt bevolkt door deeltjes die veel te klein zijn om te zien, maar die strikte interactieregels volgen die bepalen hoe materie wordt opgebouwd en hoe deze verandert. Onder deze deeltjes behoren quarks, de fundamentele bouwstenen die aan elkaar plakken om grotere deeltjes zoals protonen en neutronen te vormen. Soms vormen quarks van verschillende typen paren om kortstondige, zware deeltjes te creëren die bekend staan als quarkonia. Een van de bekendste hiervan is de J/psi, een deeltje dat bestaat uit een charm-quark en zijn antimaterie-tweeling, de anticharm-quark. Al decennia weten natuurkundigen dat de J/psi een rusteloos deeltje is dat meestal vervalt door zijn energie af te geven via sterke of elektromagnetische krachten, processen die bijna onmiddellijk plaatsvinden. Er is echter een veel zeldzamere mogelijkheid: de zwakke kernkracht, die verantwoordelijk is voor radioactief verval, kan de J/psi ook doen uiteenvallen. Omdat dit zwakke verval zo extreem zeldzaam is vergeleken met de andere manieren waarop het deeltje verdwijnt, is het moeilijk geweest om precies te voorspellen hoe vaak het gebeurt of om het in de actie te betrappen. Het begrijpen van dit proces is belangrijk omdat het onze fundamentele theorieën over hoe quarks zich gedragen wanneer ze aan elkaar gebonden zijn, test; het biedt een inkijkje in het subtiele samenspel tussen de krachten die materie bij elkaar houden en de krachten die het uit elkaar drijven.

Lange tijd was de standaardmanier om te schatten hoe vaak de J/psi via de zwakke kracht vervalt, het behandelen van de twee interne quarks alsof het onafhankelijke passagiers in een auto waren, die elk op hun eigen manier uitstapten. In dit oude beeld zou de charm-quark op zichzelf vervallen, en de anticharm-quark zou dat ook doen, waarbij het totale tempo simpelweg de som is van deze twee afzonderlijke gebeurtenissen. Deze benadering suggereerde dat de J/psi ongeveer één keer in de honderd miljoen pogingen zwak zou vervallen. Dit eenvoudige beeld negeert echter het feit dat de twee quarks stevig aan elkaar gebonden zijn en direct met elkaar kunnen interageren. Deze nieuwe studie door onderzoekers van het Hangzhou Institute for Advanced Study daagt deze oude schatting uit door naar de J/psi te kijken, niet als twee afzonderlijke delen, maar als een enkel, verenigd systeem waarin de quarks elkaar kunnen annihileren. Door een geavanceerd wiskundig hulpmiddel te gebruiken dat bekend staat als de optische stelling, waarmee natuurkundigen het totale tempo van alle mogelijke vervaloftredens tegelijkertijd kunnen berekenen, heeft het team een veel completer beeld geconstrueerd van wat er binnen het deeltje gebeurt.

De onderzoekers ontdekten dat de oude methode van het optellen van onafhankelijke vervallen het belangrijkste deel van het verhaal mist. In werkelijkheid kunnen de charm- en anticharm-quarks elkaar ontmoeten en vernietigen, een proces dat paarannihilatie wordt genoemd, wat een enorme hoeveelheid nieuwe manieren opent voor het deeltje om te verdwijnen. Deze annihilatie is geen enkele gebeurtenis, maar een complexe interactie die verschillende soorten krachtdragers betreft. De studie onthult dat de dominante manier waarop de J/psi zwak vervalt, feitelijk via deze annihilatie verloopt, specifiek door een mechanisme dat een neutrale stroom betreft, waarbij de quarks een Z-bos uitwisselen, een zwaar deeltje dat de zwakke kracht draagt maar de elektrische lading van de betrokken deeltjes niet verandert. Deze bijdrage van de neutrale stroom is zo groot dat deze de eenvoudige vervalprocessen van de individuele quarks volledig overschaduwt. Bovendien berekenden de onderzoekers hoe de verschillende manieren waarop de quarks met elkaar interageren met elkaar interfereren, waarbij ze vonden dat het samenspel tussen de geladen en neutrale krachten een delicaat evenwicht creëert dat zeer gevoelig is voor de energieschaal waarop de berekening wordt uitgevoerd.

Wanneer het team al deze effecten combineerde — de onafhankelijke vervallen, de annihilatie en de interferentie tussen hen — kwamen zij tot een nieuwe voorspelling voor hoe vaak de J/psi zwak zou vervallen. Hun berekening suggereert dat de vertakkingsfractie, wat de waarschijnlijkheid is dat dit specifieke verval plaatsvindt in vergelijking met alle andere manieren waarop het deeltje kan vervallen, ongeveer 7,96 maal tien tot de macht van min acht is. Dit getal is iets hoger dan de oude schatting van één maal tien tot de macht van min acht, maar belangrijker nog, het laat zien dat het annihilatieproces verantwoordelijk is voor ongeveer 77 procent van de totale zwakke vervalvoet. Dit betekent dat de oude methode, die alleen keek naar de quarks die afzonderlijk vervallen, het overgrote deel van de actie miste. De studie bracht ook de resultaten uiteen op basis van de typen geproduceerde deeltjes, waarbij werd aangetoond dat de meest voorkomende uitkomst de creatie van deeltjes zonder enige charm-quarks is, een direct gevolg van het annihilatieproces.

De onderzoekers waren zorgvuldig in het kwantificeren van hoe zeker zij zijn over deze getallen. Zij identificeerden twee hoofdbronnen van onzekerheid. De eerste komt voort uit de wiskundige benaderingen die in de berekening zijn gebruikt, die zij hebben ingeschat door de energieschaal van hun model te variëren. Deze variatie produceerde een bereik waar de ware waarde waarschijnlijk ligt, waarbij de bovengrens aanzienlijk hoger is dan de centrale waarde vanwege de gevoelige aard van de interferentie tussen de krachten. De tweede bron van onzekerheid komt van de complexe interne structuur van de J/psi zelf, die moeilijk nauwkeurig te berekenen is. Door de inputs gerelateerd aan de interne beweging en bindingsenergie van het deeltje te variëren, vonden zij een tweede foutmarge. Zelfs met deze onzekerheden blijft de conclusie robuust: het zwakke verval van de J/psi wordt gedomineerd door de annihilatie van zijn quarkpaar, en niet door het onafhankelijke verval van zijn onderdelen.

Dit werk biedt een cruciaal theoretisch doelwit voor experimenteel onderzoekers die zoeken naar deze zeldzame vervallen. Experimenten bij faciliteiten zoals de BESIII-detector hebben al miljarden J/psi-deeltjes verzameld en daarbij gezocht naar tekenen van deze zwakke vervallen, maar tot nu toe waren zij alleen in staat om bovengrenzen vast te stellen voor hoe vaak deze voorkomen. De nieuwe voorspelling suggereert dat deze zeldzame gebeurtenissen plaatsvinden met een frequentie die binnen het bereik ligt van huidige en toekomstige experimenten. Als de experimenteel onderzoekers het verval observeren met de snelheid die deze nieuwe berekening voorspelt, zal dit bevestigen dat ons begrip van hoe zware quarks interageren en annihileren correct is. Als zij een andere snelheid vinden, zou dit kunnen wijzen op nieuwe, onbekende krachten of deeltjes die een rol spelen. Voor nu fungeert de studie als een gedetailleerde kaart van een verborgen hoek van de subatomaire wereld, die laat zien dat zelfs in een deeltje dat zo goed bestudeerd is als de J/psi, er nog steeds diepgaande interacties zijn die wachten om volledig begrepen te worden. De onderzoekers benadrukken dat hoewel hun berekening een belangrijke stap voorwaarts is, het niet het laatste woord is; toekomstig werk zal nauwkeurigere correcties moeten bevatten en een diepere blik op de interne structuur van het deeltje moeten werpen om deze getallen verder te verfijnen.