Probing the nature of the $\chi_{c1}(3872)$ state using radiative decays

Utilizando dados de colisões próton-próton do detector LHCb, este estudo observa o decaimento radiativo $\chi_{c1}(3872)\rightarrow\psi(2S)\gamma$ pela primeira vez e mede uma razão de ramificação que desafia a interpretação do $\chi_{c1}(3872)$ como uma molécula pura de $D^0\bar{D}^{*0}$, sugerindo fortemente que ele contém um componente significativo de charmonium compacto ou tetraquark.

O essencial

O Mistério da "Partícula Fantasma"

Imagine que você é um detetive tentando descobrir de que é feito um objeto muito estranho e esquivo. Você tem um suspeito: uma partícula chamada $\chi_{c1}(3872)$.

Por mais de 20 anos, os cientistas têm discutido sobre a identidade desta partícula. É como um camaleão que muda de aparência dependendo de como você o observa.

• Teoria A (A Teoria Molecular): Alguns cientistas pensam que ela é um "casal solto". Imagine duas casas distintas (partículas chamadas $D^0$ e $D^{*0}$) paradas uma ao lado da outra em um campo, mal se dando as mãos. Elas estão longe uma da outra, formando uma "molécula".
• Teoria B (A Teoria Compacta): Outros cientistas pensam que é uma "família unida". Imagine quatro pessoas (quarks) amontoadas em uma sala minúscula, fortemente ligadas. Isso poderia ser um "tetraquark" ou uma partícula padrão de charmonium.

O problema é que a partícula parece ser ambos. Ela é pesada demais para ser apenas uma partícula padrão, mas é produzida com facilidade demais para ser apenas um casal solto.

O Experimento: Um Flash de Luz

Para resolver este mistério, a colaboração LHCb (uma equipe de cientistas usando um detector de partículas gigante no CERN) decidiu observar como esta partícula "morre" ou decai. Especificamente, eles observaram o que acontece quando a partícula emite um flash de luz (um fóton, $\gamma$).

Pense no $\chi_{c1}(3872)$ como um fogo de artifício brilhante. Quando ele explode, pode se transformar em dois tipos diferentes de fogos de artifício:

1. Tipo 1: Um fogo de artifício padrão chamado $J/\psi$.
2. Tipo 2: Um fogo de artifício maior e mais pesado chamado $\psi(2S)$.

Os cientistas fizeram uma pergunta simples: Qual deles ela prefere? Ela produz principalmente o fogo de artifício padrão ou, surpreendentemente, produz o maior?

A Descoberta

Usando dados de bilhões de colisões de prótons (equivalente a 9 anos de coleta de dados), a equipe fez duas coisas principais:

1. Primeira Observação: Eles avistaram o $\chi_{c1}(3872)$ transformando-se no fogo de artifício maior ($\psi(2S)$) mais um fóton pela primeira vez. Antes disso, eles tinham apenas indícios. Agora, eles têm um avistamento confirmado.
2. A Razão: Eles contaram quantas vezes ela produziu o fogo de artifício pequeno versus o grande. Descobriram que a partícula produz o fogo de artifício grande ($\psi(2S)$) cerca de 1,67 vezes mais frequentemente do que o pequeno.

O Veredito: Do que ela é feita?

Esta razão é a "arma do crime" que resolve o mistério.

• Se fosse um "Casal Solto" (Molécula): Cálculos teóricos dizem que um casal solto quase nunca faria o fogo de artifício grande. Seria como um casal solto tentando levantar um piano pesado; eles simplesmente não têm força para isso. A previsão era que o fogo de artifício grande seria extremamente raro (menos de 1% das vezes).
• Se fosse uma "Família Unida" (Compacta): Cálculos teóricos dizem que uma família unida é forte o suficiente para fazer o fogo de artifício grande frequentemente. A previsão era que o fogo de artifício grande seria comum (mais de 1 vez para cada pequeno).

O Resultado: Os cientistas descobriram que o fogo de artifício grande era produzido 1,67 vezes mais frequentemente do que o pequeno.

A Conclusão

O artigo conclui que a teoria do "Casal Solto" é altamente improvável. A partícula é muito "forte" e "compacta" para ser apenas duas casas distantes de mãos dadas.

Em vez disso, os dados sugerem fortemente que o $\chi_{c1}(3872)$ contém um componente "compacto" significativo. É provável que seja um grupo de quarks fortemente ligado (um tetraquark) ou uma partícula de charmonium padrão, talvez misturada com um pouco do comportamento de "casal solto", mas o núcleo dela é definitivamente uma estrutura compacta e unida.

Em resumo: A partícula não é um relacionamento frágil e distante; é uma família unida e compacta. A ideia de "molécula", se ela existir, é apenas uma pequena parte da história.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Sondando a natureza do estado $\chi_{c1}(3872)$ através de decaimentos radiativos

Problema e Motivação
A estrutura interna do estado $\chi_{c1}(3872)$ (também conhecido como $X(3872)$) continua sendo uma das questões abertas mais significativas na espectroscopia de hádrons. Embora sua massa esteja extremamente próxima do limiar $D^0\bar{D}^{*0}$ e seus números quânticos sejam $J^{PC} = 1^{++}$, sua natureza exata é debatida. A proximidade com o limiar e um grande acoplamento ao sistema $D^0\bar{D}^{*0}$ apoiam a interpretação do estado como um estado molecular fracamente ligado $D^0\bar{D}^{*0} + \bar{D}^0 D^{*0}$. No entanto, a seção de choque de produção observada em colisões de hádrons de alta energia é significativamente maior do que as previsões teóricas para um objeto puramente molecular, sugerindo um componente compacto substancial, tal como um charmonium convencional ($\chi_{c1}(2P)$), um tetraquark ($c\bar{c}q\bar{q}$) ou uma mistura.

Para distinguir entre estas hipóteses, a razão das larguras de decaimento radiativo parcial, $R_{\psi\gamma} \equiv \Gamma(\chi_{c1}(3872) \to \psi(2S)\gamma) / \Gamma(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\gamma)$, serve como um diagnóstico crítico. As previsões teóricas para esta razão variam amplamente dependendo da estrutura assumida: modelos de charmonium puro preveem $R_{\psi\gamma} \gtrsim 1$, enquanto modelos moleculares puros preveem $R_{\psi\gamma} \ll 1$ (tipicamente $< 0,5$), a menos que sejam feitas suposições específicas sobre as constantes de acoplamento. Medições experimentais anteriores produziram resultados conflitantes, com o BaBar e o LHCb relatando valores consistentes com comportamento do tipo charmonium, enquanto o Belle e o BESIII relataram limites superiores ou não observações consistentes com interpretações moleculares.

Metodologia
Este estudo utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo detector LHCb em energias de centro de massa de 7, 8 e 13 TeV, correspondentes a uma luminosidade integrada de 9 fb$^{-1}$ (Run 1 e Run 2). A análise foca na cadeia de decaimento $B^+ \to \chi_{c1}(3872)K^+$, seguida pelos decaimentos radiativos $\chi_{c1}(3872) \to \psi\gamma$, onde $\psi$ representa os mésons $J/\psi$ ou $\psi(2S)$. Os mésons $\psi$ são reconstruídos através de seus modos de decaimento dimuon ($\mu^+\mu^-$).

A seleção de eventos envolve:

1. Reconstrução: Identificação de candidatos a múon e kaon, e reconstrução de fótons a partir de aglomerados do calorímetro eletromagnético.
2. Seleção Cinemática: Requisitos de momento transversal ($p_T$) para múons e kaons, e energia transversal ($E_T$) para fótons. A massa dimuon é restringida à massa conhecida do $J/\psi$ ou $\psi(2S)$.
3. Supressão de Background: Um ajuste cinemático restringe o candidato $B^+$ a originar-se do vértice primário e a massa dimuon à massa conhecida do $\psi$. Candidatos com massas consistentes com decaimentos diretos $B^+ \to \psi K^+$ são rejeitados.
4. Análise Multivariada: Um classificador de Perceptron Multicamadas (MLP) é treinado separadamente para os canais $J/\psi\gamma$ e $\psi(2S)\gamma$ usando amostras de sinal simuladas e amostras de background baseadas em dados ou simuladas para suprimir ainda mais os backgrounds combinatórios e de física.

Os rendimentos de sinal são determinados usando ajustes de máxima verossimilhança não parametrizados estendidos nas distribuições de duas dimensões das massas $\psi\gamma$ e $\psi\gamma K^+$. Os modelos de ajuste incluem componentes de sinal parametrizados por funções Gaussianas modificadas (com caudas de lei de potência ou Gaussianas bifurcadas) e vários componentes de background (combinatório, decaimentos de $B$ parcialmente reconstruídos e combinações aleatórias).

Principais Contribuições e Resultados
A principal contribuição deste trabalho é a primeira observação do decaimento $\chi_{c1}(3872) \to \psi(2S)\gamma$. A significância estatística do sinal é encontrada como 4,8$\sigma$ para o Run 1 e 6,0$\sigma$ para o Run 2.

A razão das frações de ramificação, interpretada como a razão das larguras de decaimento parcial $R_{\psi\gamma}$, é medida combinando os resultados do Run 1 e Run 2, contabilizando as incertezas sistemáticas correlacionadas. O resultado final é:
$$R_{\psi\gamma} = 1,67 \pm 0,21 \text{ (estat)} \pm 0,12 \text{ (sist)} \pm 0,04 \text{ (BF)}$$
onde a terceira incerteza provém das frações de ramificação dos mésons $\psi(2S)$ e $J/\psi$ em estados finais de dileptons.

O valor medido de $R_{\psi\gamma} \approx 1,67$ é:

• Em bom acordo com medições anteriores do BaBar e LHCb (Run 1).
• Consistente com previsões teóricas para um estado de charmonium convencional $\chi_{c1}(2P)$, um tetraquark compacto, ou um estado molecular misturado com um componente compacto considerável.
• Em tensão com os limites superiores estabelecidos pela colaboração BESIII ($R_{\psi\gamma} < 0,59$) e as previsões para um estado molecular puro de $D^0\bar{D}^{*0}$, que geralmente esperam $R_{\psi\gamma} \ll 1$.

Significância
O artigo conclui que o grande valor medido de $R_{\psi\gamma}$ torna a interpretação do $\chi_{c1}(3872)$ como um estado molecular puro de $D^0\bar{D}^{*0} + \bar{D}^0 D^{*0}$ questionável. Em vez disso, o resultado indica fortemente a presença de um componente compacto considerável (seja charmonium ou tetraquark) dentro da função de onda do estado $\chi_{c1}(3872)$. Esta medição fornece uma restrição decisiva aos modelos teóricos, favorecendo aqueles que incorporam um núcleo compacto sobre aqueles que dependem exclusivamente de uma estrutura molecular fracamente ligada.