First evidence for mixing-induced $CP$ violation in B$^0_\mathrm{s}$ $\to$ J/$\psi\,\phi$(1020) decays in pp collisions at $\sqrt{s} =$ 13 TeV

Utilizando um novo algoritmo de marcação de sabor baseado em aprendizado de máquina em dados do CMS provenientes de colisões próton-próton a 13 TeV, os pesquisadores obtiveram a primeira evidência de violação de CP induzida por mistura nos decaimentos B$^0_\mathrm{s}$ $\to$ J/$\psi\,\phi$, medindo uma fase fraca $\phi_\mathrm{s}$ que se desvia de zero por 3,2 desvios padrão.

O essencial

A Visão Geral: Pegando um Fantasma na Máquina

Imagine que você está assistindo a um show de mágica. Um mágico (a natureza) pega uma partícula chamada méson $B^0_s$ e a transforma em um conjunto específico de outras partículas: um $J/\psi$ e um $\phi$.

No mundo da física de partículas, existe uma regra fundamental chamada simetria CP. Pense nisso como um espelho perfeito. Se você pegar uma partícula, virá-la num espelho (transformando-a na versão de sua "antipartícula") e rodar o filme ao contrário, as leis da física deveriam parecer exatamente as mesmas. O universo deveria tratar a partícula e seu gêmeo espelhado com total imparcialidade.

No entanto, o Modelo Padrão (nosso melhor livro de regras atual sobre como o universo funciona) prevê que, às vezes, o universo é um pouco injusto. Ele trata a partícula e seu gêmeo ligeiramente de forma diferente. Essa injustiça é chamada de Violação de CP.

Este artigo trata do experimento CMS no CERN (o Grande Colisor de Hádrons) pegando o universo "trapaceando" nessa regra. Eles encontraram a primeira evidência sólida de que o méson $B^0_s$ e seu gêmeo não apenas ficam parados; eles se misturam, trocam de identidade e decaem em taxas ligeiramente diferentes, provando que a natureza tem uma leve preferência por um sobre o outro.

O Elenco de Personagens

1. O Méson $B^0_s$: O ator principal. É uma partícula pesada e instável que não dura muito.
2. A "Mistura" (A Troca de Identidade): Antes de o $B^0_s$ morrer, ele tem o hábito de se transformar em sua própria antipartícula e depois voltar a ser. É como um camaleão que continua mudando sua cor de pele rapidamente antes de finalmente se aquietar e desaparecer.
3. A "Fase Fraca" ($\phi_s$): Este é o personagem principal do artigo. Pense nisso como o ângulo da trapaça. Se o universo fosse perfeitamente justo, esse ângulo seria zero. Se for injusto, o ângulo é diferente de zero. O artigo mede esse ângulo para ver exatamente quão injusta a natureza está sendo.
4. Os "Identificadores de Sabor" (Os Detetives): Para saber se o universo está trapaceando, você precisa saber o que a partícula era antes de começar a se misturar. Ela começou como uma "partícula" ou uma "antipartícula"?
   • O artigo apresenta uma nova equipe de detetives superinteligentes (um algoritmo de aprendizado de máquina).
   • Esses detetives examinam os destroços deixados para trás pela colisão. Alguns olham para partículas voando na direção oposta (Lado Oposto), enquanto outros olham para partículas voando ao lado do ator principal (Mesmo Lado).
   • Ao combinar essas pistas, a equipe consegue adivinhar a identidade original da partícula com muito mais precisão do que antes.

O Experimento: Uma Sessão de Fotos em Alta Velocidade

Os cientistas usaram o detector CMS, uma câmera gigante no CERN, para tirar fotos de colisões de prótons.

• Os Dados: Eles analisaram 96,5 "femtobarns inversos" de dados (uma maneira chique de dizer uma quantidade massiva de dados de colisão coletados em 2017 e 2018).
• O Alvo: Eles caçaram especificamente mésons $B^0_s$ que decaíram em um $J/\psi$ (que se transforma em dois múons) e um $\phi$ (que se transforma em dois kaons). É como procurar uma combinação específica e rara de blocos de Lego que só aparece quando um brinquedo específico se quebra.
• O Resultado: Eles encontraram cerca de 27.500 desses eventos específicos e "identificados". Este é um número enorme para este tipo de medição rara, dando-lhes uma imagem muito clara.

A Descoberta: O "Piscar" de 3,2 Desvios Padrão

Após analisar os ângulos e o tempo de como essas partículas decaíram, os cientistas mediram a "Fase Fraca" ($\phi_s$).

• A Previsão: O Modelo Padrão previu um ângulo muito pequeno e específico (cerca de -37 miliradianos).
• A Medição: A equipe do CMS mediu o ângulo como sendo -75 miliradianos.
• A Significância: A diferença entre zero (imparcialidade perfeita) e sua medição é de 3,2 desvios padrão.

O que significa "3,2 desvios padrão"?
Imagine que você joga uma moeda 1.000 vezes. Se for uma moeda justa, espera-se 500 caras. Se você obtiver 550 caras, isso é suspeito. Se obtiver 600, isso é muito suspeito.
Na física, um "desvio padrão" é uma medida de quão surpresos devemos estar.

• 1 sigma: "Talvez seja apenas sorte."
• 3 sigma: "Esta é uma forte pista. Devemos prestar atenção." (É isso que o artigo afirma: Primeira Evidência).
• 5 sigma: "Esta é uma descoberta. Temos 99,9999% de certeza."

O artigo afirma que atingiram o nível de 3 sigma. Eles ainda não "descobriram" nova física (o que requer 5 sigma), mas encontraram a primeira evidência forte de que a violação de CP induzida por mistura existe neste decaimento específico. É o universo dando um "piscar" claro de que não é perfeitamente simétrico.

O Veredito

O artigo conclui que:

1. A Trapaça é Real: O méson $B^0_s$ realmente se mistura e decai de uma maneira que viola a simetria CP.
2. Os Números Batem: A quantidade de "injustiça" que mediram (-75 mrad) é consistente com o que o Modelo Padrão prevê quando combinado com dados anteriores de colisões de 8 TeV.
3. Sem Nova Física (Ainda): Como seu resultado coincide com a previsão do Modelo Padrão, eles ainda não encontraram uma "nova partícula" ou uma "nova força". Eles apenas confirmaram que o livro de regras existente está correto nesta área específica e difícil de medir.

Analogia de Resumo

Imagine uma corrida entre dois corredores, Partícula e Antipartícula.

• Teoria Antiga: Eles correm na mesma velocidade exata.
• A Descoberta do Artigo: Os cientistas usaram uma nova câmera de alta tecnologia (o identificador de aprendizado de máquina) para observá-los. Eles viram que a Partícula corre ligeiramente mais rápido do que a Antipartícula nesta corrida específica.
• A Conclusão: Eles têm 99,9% de certeza de que a diferença de velocidade é real (3,2 sigma). No entanto, a diferença de velocidade é exatamente o que o livro de regras (Modelo Padrão) disse que seria. Então, embora tenham provado que os corredores são diferentes, eles ainda não encontraram um atalho secreto ou uma nova pista (Nova Física). Eles apenas confirmaram que o mapa estava certo o tempo todo.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Primeira Evidência para Violação de CP Induzida por Mistura nos Decaimentos $B^0_s \to J/\psi \phi(1020)$

Problema e Motivação
Os decaimentos de mésons $B^0_s$ servem como uma sonda crítica para testar as previsões do Modelo Padrão (MP) relativas à violação de CP (VCP) no setor de quarks e para buscar nova física. No Modelo Padrão, a fase fraca $\phi_s$, que surge da VCP na interferência entre decaimentos com e sem mistura de $B^0_s$, é prevista para ser aproximadamente $-37 \pm 1$ mrad. Essa previsão precisa torna $\phi_s$ um observável sensível para detectar contribuições de novas partículas ao processo de mistura de $B^0_s$. Embora experimentos anteriores tenham medido $\phi_s$ via transições $b \to c\bar{c}s$, nenhuma desvio evidente em relação às previsões baseadas no Modelo Padrão havia sido estabelecida. Este estudo visa refinar a medição de $\phi_s$ e de outros parâmetros do sistema $B^0_s$–$\bar{B}^0_s$ utilizando um conjunto de dados significativamente maior e técnicas de análise aprimoradas.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo experimento CMS a uma energia no centro de massa de $\sqrt{s} = 13$ TeV durante 2017–2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de 96,5 fb$^{-1}$. O estudo foca no canal de decaimento $B^0_s \to J/\psi \phi(1020) \to \mu^+\mu^- K^+K^-$.

• Seleção de Eventos e Gatilhos: Duas estratégias de gatilho independentes foram empregadas: um gatilho de "marcação por múon" (MT) exigindo um candidato a $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ mais um múon adicional, e um gatilho "padrão" (ST) exigindo um candidato a $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ deslocado em conjunto com um vértice $\phi(1020) \to K^+K^-$. Eventos foram selecionados com requisitos estritos de qualidade cinemática e de vértice, resultando em uma amostra de aproximadamente 67.908 (MT) e 555.213 (ST) candidatos.
• Marcação de Sabor: Um novo framework de marcação de sabor baseado em aprendizado de máquina foi desenvolvido, combinando quatro algoritmos distintos: múon do lado oposto (OS), elétron do lado oposto (OS), jato do lado oposto (OS) e marcação do mesmo lado (SS). Os marcadores OS inferem o sabor do quark $b$ de sinal utilizando os produtos de decaimento do outro quark $b$ no evento, enquanto o marcador SS explora correlações de carga entre o quark $b$ de sinal e partículas de fragmentação próximas. Redes neurais profundas (DNNs) foram utilizadas para estimar a probabilidade de marcação errônea ($\omega_{\text{tag}}$) evento a evento. O poder de marcação combinado alcançado foi $P_{\text{tag}} \approx 5,6\%$, gerando um número efetivo de candidatos de sinal marcados de $27.500 \pm 100$.
• Análise de Amplitude: Uma análise angular dependente de tempo e sabor foi realizada na base de transversidade. A análise mediu os ângulos de decaimento ($\theta_T, \psi_T, \phi_T$) e o tempo próprio de decaimento ($ct$) do méson $B^0_s$ reconstruído. O modelo de taxa de decaimento incluiu parâmetros para a fase fraca $\phi_s$, diferença de largura de decaimento $\Delta\Gamma_s$, largura de decaimento média $\Gamma_s$, diferença de massa $\Delta m_s$, observável de VCP direta $|\lambda|$, amplitudes de transversidade ($A_0, A_\parallel, A_\perp$) e fases fortes. Um termo de onda S adicional foi incluído para contabilizar contribuições não ressonantes de $K^+K^-$ e decaimentos $B^0_s \to J/\psi f_0(980)$.
• Tratamento Estatístico: Os parâmetros de interesse foram extraídos utilizando um ajuste simultâneo de máxima verossimilhança estendida multidimensional não binned aos dados, incorporando sete observáveis: massa invariante ($m_{\mu\mu KK}$), tempo próprio de decaimento ($ct$), sua incerteza ($\sigma_{ct}$) e os três ângulos de decaimento, juntamente com a inferência de marcação ($\omega_{\text{tag}}$). Incertezas sistemáticas foram avaliadas através de estudos extensivos em amostras simuladas, métodos de bootstrap e suposições de modelo alternativas.

Contribuições Principais

• Algoritmo de Marcação de Sabor Inovador: A introdução de um framework combinado de marcação OS e SS utilizando redes neurais profundas representa um avanço significativo na eficiência e pureza da marcação de sabor para este canal de decaimento específico.
• Procedimento de Análise Aprimorado: A análise apresenta um procedimento completamente reformulado em comparação com resultados anteriores do CMS, incluindo caminhos de gatilho aprimorados e um tratamento mais robusto de componentes de fundo (especificamente $B^0 \to J/\psi K^{*0}$ e fundos combinatórios).
• Maior Amostra Efetiva: Esta medição utiliza o maior número efetivo de candidatos de sinal marcados já utilizados para uma única medição de $\phi_s$.

Resultados
A análise mediu a fase fraca como:
$$\phi_s = -73 \pm 22 \text{ (est)} \pm 10 \text{ (sist) mrad}$$
Este valor é consistente com as previsões do Modelo Padrão. O valor medido de $|\lambda|$ é consistente com a unidade, indicando ausência de violação de CP direta. Todos os outros parâmetros físicos medidos ($\Delta\Gamma_s, \Gamma_s, \Delta m_s$, amplitudes e fases) foram encontrados em concordância com as previsões do Modelo Padrão e com os valores médios mundiais anteriores.

Quando combinado com o resultado anterior do CMS obtido a $\sqrt{s} = 8$ TeV utilizando o método BLUE, a fase fraca combinada é:
$$\phi_s = -75 \pm 23 \text{ mrad}$$
Este resultado combinado difere de zero por 3,2 desvios padrão.

Significado
O artigo afirma que o desvio de 3,2 desvios padrão do valor combinado de $\phi_s$ em relação a zero constitui a primeira evidência para violação de CP induzida por mistura nos decaimentos $B^0_s \to J/\psi \phi(1020)$. Embora o resultado seja consistente com o Modelo Padrão, a precisão alcançada permite testes rigorosos do mecanismo CKM e estabelece restrições sobre potenciais contribuições de nova física para a mistura de $B^0_s$. A medição supera os resultados anteriores do CMS e é comparável em precisão às medições únicas mais precisas do mundo.