Observation of the decay $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J\mskip -3mu/\mskip -2mu\psi \mu^+\mu^-$

Utilizando 9 fb$^{-1}$ de dados de colisões próton-próton do detector LHCb, este artigo relata a primeira observação do decaimento $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \mu^+\mu^-$ com uma significância de 6,5$\sigma$ e mede sua fração de ramificação relativa ao modo $\chi_{c1}(3872)\rightarrow J/\psi \pi^+\pi^-$ como sendo $(1,68\pm 0,32\pm 0,05)\times10^{-3}$.

O essencial

A Grande Caçada às Partículas: Encontrando um Fantasma na Máquina

Imagine o Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN como o esmagador de partículas mais poderoso do mundo. Ele dispara prótons uns contra os outros a quase a velocidade da luz, criando uma explosão caótica de detritos subatômicos. A maior parte desses detritos é entediante e previsível, mas, às vezes, escondida no caos, há partículas raras e exóticas que não se encaixam no livro de regras padrão da física.

Este artigo relata a busca bem-sucedida do experimento LHCb por um evento raro: um decaimento específico "fantasma" de uma partícula chamada $\chi_{c1}(3872)$.

A Partícula Misteriosa: $\chi_{c1}(3872)$

Pense no $\chi_{c1}(3872)$ como um convidado misterioso em uma festa. Sabemos que ele existe e conhecemos seu nome, mas os cientistas ainda discutem sobre o que ele realmente é.

• É uma partícula "cármonio" padrão (um quark pesado e seu antiquark de mãos dadas)?
• É um "tetraquark" (quatro quarks grudados juntos)?
• É uma "molécula" feita de duas outras partículas fracamente ligadas?

Para resolver esse mistério, os cientistas precisam observar como essa partícula se comporta quando se desintegra. Quanto mais maneiras pudermos ver ela decair, melhor poderemos entender sua verdadeira natureza.

A Nova Descoberta: Uma Ruptura Rara

Por muito tempo, os cientistas sabiam que o $\chi_{c1}(3872)$ frequentemente se desintegra em um $J/\psi$ (uma partícula pesada) e dois píons (partículas leves). É como se a partícula quebrasse um vaso em um pote pesado e duas pedrinhas pequenas. Isso acontece frequentemente.

No entanto, este artigo anuncia a primeira vez que alguém viu o $\chi_{c1}(3872)$ se desintegrar em um $J/\psi$ e dois múons (primos pesados dos elétrons).

• A Analogia: Imagine que você tem um brinquedo que geralmente se quebra em um bloco pesado e duas pequenas bolinhas de gude. Você já viu isso acontecer milhares de vezes. Mas, de repente, você vê ele se quebrar em um bloco pesado e duas pesadas bolas de boliche. É o mesmo brinquedo, mas uma maneira muito mais rara e estranha de quebrar.

A equipe analisou dados de 2011 a 2018 (cerca de 9 "femtobarns inversos" de dados, que é uma maneira elegante de dizer "uma quantidade massiva de registros de colisões"). Eles encontraram 60 desses eventos raros. A certeza estatística de que isso não foi apenas ruído aleatório é de 6,5 sigma. No mundo da física de partículas, 5 sigma é o padrão ouro para uma "descoberta", então 6,5 é um "Sim, nós vimos isso!" muito confiante.

Como Eles Encontraram (O Trabalho de Detetive)

Encontrar esses eventos raros é como encontrar uma agulha específica em um palheiro do tamanho de uma cidade, onde a agulha parece quase exatamente um pedaço de palha.

1. O Filtro (Gatilho): O sistema de computador atua como um porteiro em uma boate, deixando entrar apenas eventos que parecem promissores (como ter dois múons).
2. O Detetive (BDT): A equipe usou uma "Árvore de Decisão Impulsionada" (BDT), que é essencialmente um algoritmo de computador superinteligente treinado para identificar padrões. Foi ensinado a distinguir entre múons reais e píons que fingiam ser múons (uma manobra comum na física de partículas).
   • Analogia: Imagine um guarda de segurança que precisa diferenciar um diamante real de um pedaço de vidro que parece um diamante. A BDT é o guarda que estudou milhares de diamantes e sabe exatamente como a luz se reflete no real.
3. A Comparação: Para medir quão raro é esse evento, eles o compararam com o decaimento comum de "pedrinhas" ($J/\psi$ + píons). Eles descobriram que, para cada 1.000 vezes que a partícula se quebra em pedrinhas, ela se quebra em bolas de boliche (múons) cerca de 1,7 vezes.

O Que Isso Significa

O artigo conclui que esse decaimento raro ocorre com uma fração de ramificação de aproximadamente $1,68 \times 10^{-3}$ em relação ao decaimento comum.

• A Verificação da Previsão: Antes deste experimento, um artigo teórico previu que esse decaimento aconteceria cerca de 4 vezes a cada 100.000. A nova medição é de aproximadamente 7 vezes a cada 100.000. Embora não seja uma correspondência exata, o novo resultado está próximo o suficiente da previsão para dizer: "Certo, nossas teorias atuais não estão totalmente erradas, mas precisamos olhar mais de perto".

A Conclusão

Este artigo não afirma ter resolvido o mistério do que o $\chi_{c1}(3872)$ é ainda. Em vez disso, abriu uma nova porta. Ao provar que essa partícula pode decair em múons, os cientistas agora têm uma nova ferramenta para estudá-la.

Os autores sugerem que, com ainda mais dados no futuro, eles poderão ser capazes de ver como o decaimento acontece — seja impulsionado por um "fóton virtual" (uma explosão fugaz de luz) ou pela criação de outras partículas, como o méson $\omega$. Isso poderia finalmente ajudá-los a decidir se o $\chi_{c1}(3872)$ é um tetraquark compacto, uma molécula solta ou algo completamente diferente.

Em resumo: Eles encontraram uma maneira muito rara e estranha de uma partícula misteriosa se desintegrar, confirmando sua existência e dando aos físicos uma nova pista para resolver o mistério de 20 anos sobre o que essa partícula realmente é.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Observação do decaimento $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$

Problema e Motivação
Ao longo das últimas duas décadas, a natureza do estado $\chi_{c1}(3872)$ (anteriormente $X(3872)$) permaneceu um tema de intenso debate no campo da espectroscopia de hádrons. Embora a sua existência e os seus números quânticos ($J^{PC} = 1^{++}$) estejam bem estabelecidos, a sua estrutura interna é contestada, com hipóteses que variam desde um tetraquark compacto até uma molécula fracamente ligada $D^{*0}D^0$ ou uma mistura de componentes de quarkônio e moleculares. Para elucidar esta natureza, são necessários estudos adicionais dos seus modos de decaimento.

O decaimento $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$ é de particular interesse, pois envolve um par de múons. Considerações teóricas sugerem que, em baixas massas do par de múons, o decaimento é dominado por um polo de fóton virtual, enquanto que, em massas mais elevadas, são esperadas contribuições de mésons $\rho^0$ e $\omega$ reais. O méson $\omega$ acopla-se mais fortemente ao par de múons do que o $\rho^0$, tornando potencialmente a contribuição do $\omega$ mais prevalente no modo $J/\psi\mu^+\mu^-$ em comparação com o modo análogo $J/\psi\pi^+\pi^-$. Antes deste trabalho, este canal de decaimento tinha recebido pouca atenção, com apenas uma estimativa teórica única prevendo uma fração de ramificação de $(4.2 \pm 1.7) \times 10^{-5}$, baseada em contribuições de decaimento de Dalitz. Adicionalmente, a presença potencial do estado $\chi_{c0}(3915)$ no espectro de massa invariante do par de múons acima do limiar do $\omega$ foi notada como um fator que requer consideração na modelagem do fundo.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton recolhidos pelo detector LHCb entre 2011 e 2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de $9 \text{ fb}^{-1}$ (3 $\text{fb}^{-1}$ a $\sqrt{s} = 7, 8$ TeV e 6 $\text{fb}^{-1}$ a 13 TeV). O estudo foca-se em candidatos a $\chi_{c1}(3872)$ deslocados originários do decaimento de hádrons de beleza de vida longa.

• Seleção: A análise seleciona candidatos a $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ que estão deslocados do vértice de interação primário. Estes são combinados com um par de trajetórias de carga oposta identificadas como múons (para o sinal) ou píons (para o modo de normalização, $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$).
• Supressão de Fundo: Para rejeitar o fundo proveniente de píons mal identificados como múons no modo de sinal, um classificador de Árvore de Decisão Boostada (BDT1) é treinado utilizando simulação e validado com o modo de controlo $\chi_{c1}(1P) \to J/\psi\mu^+\mu^-$. Um segundo BDT (BDT2) é empregue para reduzir o fundo combinatório de combinações aleatórias de $J/\psi$ e múons.
• Modelagem de Massa: O rendimento do sinal é extraído através de um ajuste de verossimilhança máxima não binned estendido à distribuição de massa invariante $J/\psi\mu^+\mu^-$. A forma de linha do sinal é modelada por uma função de Breit-Wigner convoluída com uma função Crystal Ball de dois lados. O fundo combinatório é modelado por um polinómio de primeira ordem multiplicado por um fator de espaço de fase. O ajuste inclui componentes para o sinal $\chi_{c1}(3872)$, fundo combinatório, fundo de má identificação de píons e uma contribuição potencial do $\chi_{c0}(3915)$. Candidatos de mesmo sinal ($J/\psi\mu^\pm\mu^\pm$) são utilizados para restringir a forma do fundo.
• Eficiência e Normalização: A fração de ramificação é medida relativamente ao modo abundante $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-$. As eficiências relativas de deteção e seleção são avaliadas utilizando simulação, com correções aplicadas para a identificação de partículas (PID) e diferenças no desempenho do BDT entre dados e simulação.

Principais Contribuições e Resultados
O artigo relata a primeira observação do decaimento $\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-$.

• Significância: O sinal é observado com uma significância estatística de $6.5\sigma$, incluindo incertezas sistemáticas relacionadas com o modelo de massa.
• Rendimentos: O rendimento total ajustado para o sinal é de $60 \pm 11$ eventos ao longo do Run 1 e Run 2. A massa ajustada é $3872.58 \pm 0.83$ MeV. O rendimento para o estado $\chi_{c0}(3915)$ é encontrado como $14 \pm 14$, indicando que o conjunto de dados atual é insuficiente para tirar conclusões fortes sobre a sua presença neste canal.
• Razão de Frações de Ramificação: A razão de frações de ramificação é medida como:
  $$\frac{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-)}{\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\pi^+\pi^-)} = (1.68 \pm 0.32 \pm 0.05) \times 10^{-3}$$
  onde a primeira incerteza é estatística e sistemática não correlacionada, e a segunda é sistemática correlacionada.
• Fração de Ramificação Absoluta: Utilizando a fração de ramificação conhecida para o modo de normalização, a fração de ramificação absoluta é determinada como:
  $$\mathcal{B}(\chi_{c1}(3872) \to J/\psi\mu^+\mu^-) = (7.2 \pm 2.7) \times 10^{-5}$$
  Este resultado é consistente com a previsão teórica de $(4.2 \pm 1.7) \times 10^{-5}$ encontrada na Ref. [15], que considera apenas a contribuição de Dalitz.

Significância do Trabalho
Os autores afirmam que esta primeira observação pode ajudar a elucidar a natureza do estado $\chi_{c1}(3872)$ e identificar potenciais vias para investigação futura. O artigo nota que, com um conjunto de dados maior, será possível estudar os fatores de forma do decaimento para desvendar as contribuições do fóton virtual e dos mésons $\rho^0$ ou $\omega$. Além disso, um conjunto de dados maior permitiria uma investigação mais detalhada do reforço consistente com o estado $\chi_{c0}(3915)$ para determinar quais os estados presentes nesta região de massa. O trabalho baseia-se em observações anteriores de decaimentos de Dalitz muónicos semelhantes de mésons $\chi_c$ e $\chi_b$.