$b\to s\ell^+\ell^- (\ell = e, \mu, \tau)$ and $b\to s\nu\bar\nu$ at Belle and Belle II

Este artigo descreve o uso de um conjunto combinado de dados de $1,2~\mathrm{ab}^{-1}$ dos experimentos Belle e Belle II para estudar decaimentos de b quarks com energia ausente, incluindo medições de $B\to X_s\nu\bar\nu$ e buscas por processos envolvendo neutrinos e léptons tau ($\tau$).

O essencial

O Mistério das Partículas Invisíveis: Uma Caçada no Mundo Subatômico

Imagine que você é um detetive tentando resolver um crime em uma festa de gala muito luxuosa. O problema é que o principal suspeito é um fantasma: ele entra na sala, derruba uma taça de cristal, mas ninguém consegue vê-lo. Você só sabe que ele esteve lá porque ouviu o barulho do vidro quebrando e viu a taça no chão.

Este artigo científico descreve como os cientistas dos experimentos Belle e Belle II (grandes máquinas de pesquisa no Japão) estão tentando "enxergar fantasmas" no mundo das partículas subatômicas.

1. O "Crime": A Transição $b \to s$

No mundo microscópico, as partículas estão sempre se transformando umas nas outras. Existe um processo específico chamado $b \to s$ que é como um "caminho secreto" que certas partículas percorrem.

De acordo com as regras atuais da física (o Modelo Padrão), esse caminho é muito difícil de percorrer e acontece raramente. Se os cientistas encontrarem esse processo acontecendo com mais frequência do que o esperado, significa que existe um "participante oculto" na festa — uma nova partícula ou uma nova força da natureza que ainda não conhecemos. É o que chamamos de Nova Física.

2. Os "Fantasmas": Neutrinos e Taus

O grande desafio deste estudo é que eles estão procurando por decaimentos que produzem neutrinos e leptons tau.

• Neutrinos são os verdadeiros fantasmas: eles atravessam paredes, planetas e pessoas sem tocar em nada. Eles não deixam rastro nos detectores.
• Leptons Tau são como "fantasmas pesados": eles são instáveis e desaparecem quase instantaneamente, deixando para trás apenas um rastro confuso de outras partículas menores.

Como não podemos ver o neutrino diretamente, os cientistas usam uma técnica chamada "Tagging" (Marcação). É como se, para provar que o fantasma passou, eles reconstruíssem toda a festa ao redor dele. Se eles souberem exatamente quem entrou na sala e quem saiu, e de repente houver um "buraco" na energia total, eles podem calcular: "Opa, o que falta aqui deve ser o fantasma!"

3. O que eles descobriram?

O artigo apresenta várias "investigações" diferentes:

• A busca pelos Taus ($B \to K \tau \tau$): Eles procuraram por esses processos específicos e, embora não tenham encontrado o "fantasma" ainda, eles conseguiram estabelecer limites. É como dizer: "Nós não vimos o fantasma, mas garantimos que ele não é maior do que um elefante". Isso ajuda a descartar teorias erradas.
• O mistério do $B \to K \nu \bar{\nu}$: Aqui, eles encontraram algo interessante. Os dados sugerem que esse processo pode estar acontecendo de um jeito um pouco diferente do que a teoria previa. É como se o barulho da taça quebrada fosse um pouco mais alto do que o esperado, sugerindo que talvez haja um "ajudante invisível" (uma nova força) acelerando o processo.
• A primeira busca inclusiva ($B \to X_s \nu \bar{\nu}$): Eles tentaram olhar para o "todo" em vez de focar em uma única partícula. Foi a primeira vez que tentaram essa abordagem para esse tipo de decaimento, estabelecendo um novo recorde de precisão na busca.

Resumo da Ópera

Os cientistas não encontraram uma "nova partícula" definitiva ainda, mas eles estão limpando o terreno. Eles estão construindo mapas cada vez mais precisos de onde os fantasmas não estão, o que nos deixa cada vez mais perto de descobrir onde eles realmente se escondem.

É uma busca pela peça que falta no quebra-cabeça do universo. Cada vez que eles dizem "não encontramos nada aqui", eles estão, na verdade, estreitando o cerco contra o desconhecido.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Transições $b \to s\ell^+\ell^-$ e $b \to s\nu\bar{\nu}$ nos experimentos Belle e Belle II

Problema e Contexto
O estudo das transições de quarks $b \to s$ é fundamental para a física de partículas, pois são processos de Corrente Neutra que Mudam o Sabor (FCNC). No Modelo Padrão (SM), esses processos ocorrem apenas via diagramas de loop (como o "penguin eletrofraco"), o que resulta em taxas de ramificação (branching fractions) muito baixas, da ordem de $10^{-7}$ a $10^{-5}$. Devido a essa raridade, esses canais são sondas extremamente sensíveis para a busca de Nova Física (NP), que poderia se manifestar através de novas interações em nível de árvore (como Leptoquarks) ou modificações nos loops (como o Higgs carregado). O desafio experimental reside na detecção de canais que envolvem neutrinos ($\nu$), que deixam energia faltante e são, portanto, indetectáveis diretamente.

Metodologia
O trabalho utiliza um conjunto combinado de dados de $1,2\text{ ab}^{-1}$ de colisões $e^+e^- \to B\bar{B}$ no ressonante $\Upsilon(4S)$, provenientes dos experimentos Belle e Belle II. A vantagem desses experimentos é o ambiente de eventos limpo e a cinemática inicial bem definida. Para lidar com a energia faltante, foram utilizadas duas técnicas de "tagging" do mesão $B$ oposto ($B_{tag}$):

1. Tagging Inclusivo: Utiliza aprendizado de máquina para identificar o $B_{tag}$ de forma genérica, oferecendo alta eficiência, mas com maior fundo (background).
2. Tagging Exclusivo: Utiliza o algoritmo Full Event Interpretation (FEI) para reconstruir o $B_{tag}$ via modos de decaimento hadrônicos ou semilepônicos.
   • Hadrônico: Alta pureza e restrições cinemáticas rigorosas, mas baixa eficiência ($< 1\%$).
   • Semilepônico: Maior eficiência devido às altas taxas de decaimento, mas menor pureza devido ao neutrino não detectado no $B_{tag}$.

Principais Contribuições e Resultados

O artigo divide os resultados em dois grandes grupos de transições:

1. Transições $b \to s\tau^+\tau^-$ (Léptons de terceira geração)

Estes canais são particularmente sensíveis a modelos de Nova Física.

• $B^0 \to K^{*0}\tau^+\tau^-$: Utilizando tagging hadrônico no Belle II, foi estabelecido um limite superior de $\mathcal{B} < 1,8 \times 10^{-3}$ (90% CL), melhorando o limite do Belle por um fator de dois com metade dos dados.
• $B^0 \to K^0_S\tau^+\tau^-$: Primeira busca deste canal combinando Belle e Belle II, estabelecendo um limite de $\mathcal{B} < 8,4 \times 10^{-4}$ (90% CL).
• $B^+ \to K^+\tau^+\tau^-$: Utilizando uma estratégia baseada em cortes (cut-based) para suprimir o fundo $B \to D\ell\nu$, obteve-se o limite mais rigoroso até o momento: $\mathcal{B} < 5,6 \times 10^{-4}$ (90% CL).

2. Transições $b \to s\nu\bar{\nu}$ (Energia faltante)

• Reinterpretação de $B^+ \to K^+\nu\bar{\nu}$: O estudo aplicou a Teoria de Campo Efetiva Fraca (WET) para interpretar a evidência de decaimento do Belle II. Os resultados sugerem que uma contribuição vetorial aumentada, juntamente com uma contribuição tensorial não nula, descreve melhor os dados do que o Modelo Padrão. O trabalho disponibiliza a função de verossimilhança (likelihood) para testes futuros de modelos de NP.
• Busca Inclusiva $B \to X_s\nu\bar{\nu}$: Pela primeira vez, foi realizada uma busca inclusiva utilizando o método de "soma de modos exclusivos" (reconstruindo diversos estados com kaons). Não foi observado excesso de sinal, estabelecendo o limite superior mais restritivo até hoje: $\mathcal{B} < 3,2 \times 10^{-4}$ (90% CL).

Significância
Este relatório demonstra a capacidade técnica do Belle II de realizar medições de alta precisão em canais extremamente desafiadores que envolvem múltiplos neutrinos. Ao estabelecer limites superiores sem precedentes e fornecer uma interpretação teórica robusta (via coeficientes de Wilson) para os dados de $B \to K\nu\bar{\nu}$, o trabalho constrange significativamente os modelos de Nova Física e prepara o terreno para as futuras análises com o aumento da luminosidade do SuperKEKB.