Observation of $CP$ violation in $B^{0}\!\to{J\mskip-3mu/\mskip-2muψ}ρ(770)^0$ decays

Utilizando dados de colisões próton-próton do LHCb de 2015–2018, este artigo relata a primeira observação de violação de $CP$ dependente do tempo em decaimentos $B^{0}\!\to{J/\psi}\rho(770)^{0}$, fornecendo parâmetros de violação de $CP$ precisos que, quando combinados com medições anteriores sob simetria de sabor SU(3), fornecem a restrição mais rigorosa até o momento sobre a contribuição de penguin para a fase de violação de $CP$ em decaimentos $B^{0}_{s}\!\to{J/\psi}\phi(1020)$.

O essencial

Imagine o universo como uma pista de dança gigante e de alta velocidade onde partículas minúsculas chamadas mésons B são os dançarinos. Normalmente, esses dançarinos seguem uma coreografia rigorosa ditada pelo "Modelo Padrão", que é como o livro de regras da física. No entanto, os físicos adoram procurar momentos em que os dançarinos quebram as regras, especificamente uma regra chamada violação de CP.

Pense na violação de CP como um teste de espelho. Se você observar um dançarino em um espelho, ele deve parecer estar fazendo exatamente os movimentos opostos. Mas, às vezes, o dançarino real e sua imagem no espelho fazem coisas ligeiramente diferentes. Encontrar essas diferenças é crucial porque ajuda os cientistas a entender por que nosso universo é feito de matéria (nós) em vez de ser vazio, ou por que não há uma quantidade igual de "antimatéria".

A Grande Descoberta

Este artigo da colaboração LHCb no CERN relata um grande avanço: eles finalmente flagraram um méson B "quebrando as regras" em um movimento de dança específico chamado $B^0 \to J/\psi \rho(770)^0$.

Aqui está o resumo simples do que eles fizeram e encontraram:

1. A Configuração: Uma Câmera de Alta Velocidade
Os cientistas usaram o Grande Colisor de Hádrons (LHC), uma máquina massiva que colide prótons a velocidades próximas à da luz. Eles atuaram como uma câmera de alta velocidade, registrando bilhões dessas colisões ao longo de quatro anos (2015–2018). Eles estavam procurando por uma "dança" muito específica onde um méson B decai em uma partícula $J/\psi$ (que é como um par pesado e estável) e uma partícula $\rho(770)^0$ (que é como um par de píons curto e energético).

2. O Problema: O "Fantasma" da Interferência
No passado, os cientistas queriam medir um ângulo específico (chamado $\phi_s$) que nos diz como essas partículas se misturam e mudam. No entanto, havia um "fantasma" na máquina. Na física, existem duas maneiras de uma partícula decair:

• O Caminho Principal: O caminho direto e rápido (como pegar uma rodovia).
• O Caminho do Pinguim: Um caminho de loop mais lento e complicado envolvendo partículas virtuais (como pegar uma estrada sinuosa e secundária).

O caminho do "Pinguim" (nomeado porque o diagrama de Feynman se parece um pouco com um pinguim) atrapalha a medição do caminho principal. É como tentar medir a velocidade de um carro em uma rodovia, mas há uma estrada sinuosa e lenta se fundindo à via, o que faz o velocímetro oscilar. Os cientistas precisavam saber exatamente o quanto a "estrada secundária" estava atrapalhando a medição da "rodovia".

3. A Solução: O Grupo de Controle
Para corrigir isso, os cientistas precisavam de um "grupo de controle". Eles observaram uma dança diferente, mas muito semelhante: $B^0 \to J/\psi \rho(770)^0$.

• Pense na dança principal ($B_s$) como um balé complexo.
• Pense nesta nova dança ($B^0$) como uma versão mais simples do mesmo balé.

Ao medir como o fantasma do "Pinguim" interferiu na dança mais simples, eles poderiam calcular matematicamente o quanto ele estava interferindo no balé complexo. Isso é como medir o quanto o vento afeta um pequeno carro de brinquedo para prever como ele afetará um carro de corrida real.

4. O Resultado: Um Sinal Claro
Usando uma quantidade massiva de dados (6 vezes mais do que sua tentativa anterior), eles mediram os "parâmetros de violação de CP" para esta nova dança.

• Eles encontraram um valor de 0,710 radianos para o deslocamento de fase (a quantidade de quebra de regras).
• Eles descobriram que a "simetria de espelho" foi quebrada com alta precisão.

Este é o primeiro momento em que alguém vê este tipo específico de violação de CP dependente do tempo neste tipo de decaimento. É como finalmente ouvir um sussurro em uma sala barulhenta porque você finalmente construiu um microfone melhor.

5. Por Que Isso Importa
Como eles mediram esse efeito do "Pinguim" com precisão neste grupo de controle, eles agora podem corrigir as medições da dança principal do "balé" ($B_s \to J/\psi \phi$).

• Antes: A medição da dança principal era borrada devido ao fantasma do "Pinguim".
• Agora: Eles subtraíram o efeito do fantasma e descobriram que o deslocamento do "Pinguim" é minúsculo: 5,0 ± 4,2 miliradianos.

A Conclusão

Este artigo não inventa uma nova tecnologia ou cura uma doença. Em vez disso, é um passo gigantesco na física de precisão.

• Eles provaram que um tipo específico de decaimento de partícula quebra as regras de simetria (violação de CP) pela primeira vez.
• Eles usaram esta nova prova para limpar os dados de um decaimento de partícula diferente e mais importante.
• O resultado é uma imagem muito mais nítida e precisa de como o universo funciona, confirmando que nosso "livro de regras" atual (o Modelo Padrão) se mantém, mas com margens de erro muito mais estreitas.

Em resumo: Eles encontraram uma nova maneira de medir o "ruído" do universo para que possam ouvir o "sinal" com muito mais clareza.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Observação de Violação de CP em Decaimentos $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$

Problema e Motivação
Estudos de violação de CP em mésons $B^0$ neutros são críticos para testar o Modelo Padrão (SM) e investigar nova física. Um observável primário é a fase de violação de CP $\phi_s$ associada à mistura $B^0_s$–$\bar{B}^0_s$. No SM, $\phi_s$ é previsto como $-37,6^{+0,6}_{-0,5}$ mrad. Medições experimentais atuais no canal "ouro" $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ fornecem uma média de $\phi_s = -50 \pm 17$ mrad. A incerteza experimental é agora comparável ao deslocamento teórico, $\Delta\phi_s$, causado por contribuições de penguin (loop) negligenciadas. Esses efeitos de longa distância não perturbativos impedem cálculos teóricos precisos de $\Delta\phi_s$.

Para restringir esses efeitos de penguin, a colaboração LHCb utiliza a simetria de sabor SU(3) para relacionar as contribuições de penguin em $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ ($b \to c\bar{c}s$) com aquelas em $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$ ($b \to c\bar{c}d$). Este último canal serve como um modo de controle com sensibilidade aumentada aos parâmetros de penguin hadrônicos. Medições anteriores utilizando dados do Run 1 (2011–2012) forneceram uma restrição de $\Delta\phi_s$ de $0,9 \pm 9,8$ mrad, o que foi insuficiente para limitar significativamente a contaminação por penguin. Este artigo apresenta uma análise atualizada utilizando dados do Run 2 para melhorar a precisão e, pela primeira vez, observar a violação de CP dependente do tempo neste canal de decaimento específico.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo detector LHCb a uma energia de centro de massa de $\sqrt{s} = 13$ TeV durante 2015–2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de $6$ fb$^{-1}$. O estudo foca na cadeia de decaimento $B^0 \to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\rho(770)^0(\to \pi^+\pi^-)$.

• Reconstrução e Seleção: Os candidatos são reconstruídos dentro do intervalo de massa invariante $[5250, 5500]$ MeV/$c^2$. Um classificador de árvore de decisão impulsionada (boosted decision tree) suprime o fundo combinatório. Fundos de pico por misidentificação de kaons e prótons são removidos via identificação de partículas, e decaimentos $B^0 \to J/\psi K_S^0$ são vetados.
• Extração de Rendimento: Um ajuste de máxima verossimilhança não parametrizado (unbinned maximum-likelihood fit) à distribuição $m(J/\psi\pi^+\pi^-)$ separa o sinal do fundo combinatório (modelado por um polinômio de quinta ordem) e dos fundos parcialmente reconstruídos (ex: $B^0_s \to J/\psi \eta' \rho^0 \gamma$). O rendimento de sinal é de aproximadamente 51.000 eventos. Fundos residuais são subtraídos estatisticamente usando eventos de peso negativo.
• Análise de Amplitude: É realizado um ajuste de máxima verossimilhança multidimensional ponderado nas distribuições de tempo de decaimento, massa invariante de $\pi^+\pi^-$ ($m_{\pi\pi}$) e variáveis angulares ($\cos\theta_\pi, \cos\theta_\mu, \chi$). O ajuste é realizado simultaneamente em seis subamostras definidas pelo período de coleta de dados e categoria de gatilho (trigger).
• Eficiência e Identificação de Flavor (Tagging): A análise contabiliza eficiências de detecção não uniformes em tempo de decaimento e variáveis angulares. A eficiência do tempo de decaimento é determinada usando o canal de controle $B^0 \to J/\psi K^{*0}$. A identificação de flavor é realizada usando algoritmos de lado oposto (opposite-side) e mesmo lado (same-side), com um poder de identificação efetivo combinado de 4,5%. Candidatos não identificados (12% do sinal) são excluídos do ajuste de CP.
• Modelagem de Ressonância: O espectro de $m_{\pi\pi}$ é modelado usando seis ressonâncias: $\rho(770)^0$, $\rho(1450)^0$, $\rho(1700)^0$, $f_0(500)$, $f_2(1270)$ e $\omega(782)$. O componente $\rho(770)^0$ recebe parâmetros de violação de CP independentes ($2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}}$ e $|\lambda|$), enquanto outras ressonâncias compartilham um conjunto comum.
• Redução de Diluição: Para mitigar a diluição da assimetria de CP causada pela integração no espaço de fase, utiliza-se uma variável de tempo de decaimento transformada $t'$, alinhando as fases de oscilação através de diferentes regiões do diagrama de Dalitz.

Principais Resultados
Os parâmetros de violação de CP dependente do tempo para o processo $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$ são medidos como:

• $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}} = 0,710 \pm 0,084 \text{ (estat)} \pm 0,028 \text{ (sist)}$ rad
• $|\lambda| = 1,019 \pm 0,034 \text{ (estat)} \pm 0,009 \text{ (sist)}$

A significância estatística de um valor não nulo para $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}}$ é de aproximadamente 10 desvios padrão, estabelecendo a primeira observação de violação de CP dependente do tempo em decaimentos de mésons $B$ para estados finais de charmonium mediados por uma transição $b \to c\bar{c}d$. Os resultados não mostram evidência de efeitos dependentes de polarização, uma vez que os parâmetros medidos separadamente para diferentes amplitudes de transversalidade são mutuamente consistentes.

Combinando estes resultados do Run 2 com a medição anterior do Run 1, obtém-se:

• $2\beta_{c\bar{c}d}^{\text{eff}} = 0,718 \pm 0,081$ rad
• $|\lambda| = 1,030 \pm 0,031$

Utilizando estes parâmetros combinados e assumindo uma aproximação de simetria de sabor SU(3), o deslocamento de penguin para a fase de $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$ é restringido a:

• $\Delta\phi_s = 5,0 \pm 4,2$ mrad

Um estudo da quebra de simetria de sabor SU(3), percorrendo a razão de magnitude de amplitude e a diferença de fase entre as transições $b \to c\bar{c}d$ e $b \to c\bar{c}s$, indica que as incertezas de quebra de simetria poderiam aumentar o erro em $\Delta\phi_s$ para no máximo 6,4 mrad.

Significância
Este trabalho constitui a primeira observação de violação de CP dependente do tempo em decaimentos $B^0 \to J/\psi\rho(770)^0$. A precisão da medição é aproximadamente o dobro do resultado anterior do LHCb. Ao fornecer a restrição mais rigorosa até o momento sobre a contribuição de penguin ($\Delta\phi_s$) para a fase de violação de CP de $B^0_s \to J/\psi\phi(1020)$, estes resultados são essenciais para testes de precisão do Modelo Padrão. Os parâmetros medidos servem como entradas críticas para análises globais que visam determinar simultaneamente as fases $2\beta$ e $\phi_s$ na presença de poluição por penguin.