Flavour changing charged current decays at LHCb

Este artigo apresenta três resultados recentes do LHCb sobre decaimentos de corrente carregada com mudança de sabor: a primeira medição da razão de fração de ramificação $\mathcal{R}(D^{**})$ usando $B^{-} \to D^{**0} \tau^{-} \bar{\nu}_{\tau}$, a determinação da fração de ramificação para $\Lambda \to p \mu^{-} \bar{\nu}_{\mu}$ e a extração de parâmetros de fator de forma a partir de decaimentos $B^0 \to D^{*-} \mu^{+} \nu_{\mu}$.

O essencial

Imagine que o universo é construído sobre um conjunto de regras estritas, como um grande livro de receitas cósmico chamado Modelo Padrão. Uma das regras mais importantes deste livro é a Universalidade do Sabor dos Léptons. Pense nesta regra como um porteiro rigoroso em um clube que trata cada convidado exatamente da mesma forma, independentemente do seu nome. Na física, os "convidados" são partículas chamadas léptons (especificamente elétrons, múons e partículas tau). A regra diz: "Se você é um múon ou um tau, você interage com as partículas que carregam a força (os 'bósons de gauge') exatamente da mesma maneira que um elétron, exceto pelo fato de que você pode ser mais pesado."

Se o porteiro começar a tratar um convidado pesado de forma diferente de um leve, isso é uma grande pista de que existe um livro de regras secreto e oculto (Nova Física) que ainda não descobrimos.

O experimento LHCb no CERN é como uma equipe de câmeras de alta velocidade tentando pegar essas partículas no ato de quebrar as regras. Eles se concentram em partículas pesadas contendo um quark "bottom" (hádrons b) enquanto elas decaem, ou se desintegram. Aqui está uma análise das três histórias principais que este artigo conta, usando analogias simples:

1. A Verificação dos "Pesados": $R(D^{**})$

O Cenário:
Geralmente, quando os cientistas medem com que frequência uma partícula bottom se transforma em uma partícula tau versus um múon (para verificar se o porteiro é justo), eles observam resultados específicos e bem conhecidos. No entanto, às vezes a partícula bottom decai em um estado intermediário "bagunçado" envolvendo versões excitadas de outras partículas (chamadas ressonâncias $D^{**}$). Estas são como o "ruído de fundo" ou a "multidão" que geralmente atrapalha a medição principal.

A Descoberta:
Em vez de ignorar esse ruído, a equipe do LHCb decidiu medi-lo diretamente pela primeira vez. Eles observaram um decaimento específico onde uma partícula bottom se transforma em uma partícula excitada ($D^{**}$) e um tau.

• A Analogia: Imagine tentar contar quantas pessoas entram em uma sala VIP, mas há um corredor lateral onde as pessoas também estão se vestindo. Geralmente, você ignora o corredor lateral. Aqui, a equipe entrou no corredor lateral, contou as pessoas e encontrou 123 eventos específicos.
• O Resultado: Eles descobriram que esse decaimento do "corredor lateral" ocorre cerca de 13% tão frequentemente quanto a versão do múon do mesmo decaimento. Isso corresponde perfeitamente à previsão do Modelo Padrão. É como confirmar que, mesmo no corredor lateral bagunçado e lotado, o porteiro ainda está tratando todos com justiça.

2. O Teste "Lambda": $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$

O Cenário:
A equipe também observou um tipo diferente de partícula chamada bárion "Lambda" (um primo pesado do próton). Eles queriam ver com que frequência essa partícula decai em um próton e um múon comparado à frequência com que decai em um próton e um elétron.

• A Analogia: Pense na partícula Lambda como uma máquina de fábrica que pode produzir dois tipos de produtos: "Múons" ou "Elétrons". O Modelo Padrão prevê que a máquina deve produzir Múons cerca de 15% tão frequentemente quanto Elétrons.
• A Descoberta: Usando dados de 2016–2018, a equipe contou os produtos saindo da linha de montagem. Eles descobriram que a máquina produz Múons a uma taxa de aproximadamente 17,5% em comparação com Elétrons.
• O Resultado: Esta é uma medição muito precisa (duas vezes mais precisa que o recorde anterior). O resultado é compatível com o Modelo Padrão, o que significa que a máquina da fábrica está funcionando exatamente como o livro de receitas diz que deveria. Isso também ajuda os cientistas a verificar a "unitariedade" da matriz CKM (uma verificação matemática para garantir que a matemática da mistura de partículas some 100%).

3. A Análise do "Mudador de Forma": $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$

O Cenário:
Nesta terceira história, a equipe não contou apenas com que frequência um decaimento ocorre; eles olharam como ele ocorre. Quando uma partícula $B^0$ decai em uma partícula $D^*$ e um múon, as partículas voam em ângulos específicos.

• A Analogia: Imagine jogar um pião giratório. Você pode descrever o lançamento pela velocidade com que gira, para onde ele se inclina e o ângulo do lançamento. Na física, estes são chamados de "ângulos" e "fatores de forma" (que descrevem a forma e a estrutura interna das partículas).
• A Descoberta: A equipe usou uma quantidade massiva de dados (3,0 fb$^{-1}$) para mapear esses ângulos em cinco dimensões diferentes ao mesmo tempo. Eles testaram três "plantas" matemáticas diferentes (chamadas BGL, CLN e BLPR) para ver qual descrevia melhor a forma do decaimento.
• O Resultado: Todas as três plantas concordaram entre si e com as simulações de computador mais avançadas (QCD de Rede). A equipe extraiu os "fatores de forma" com precisão aprimorada. Isso é como criar um modelo 3D do decaimento que é mais nítido e claro do que qualquer modelo feito antes.

O Quadro Geral

O artigo conclui que o experimento LHCb está desempenhando um papel crucial no esforço global para entender a física de partículas. Ao medir esses decaimentos raros e verificar os ângulos e taxas, eles estão confirmando que o Modelo Padrão está se mantendo forte.

• Eles encontraram a primeira evidência de um decaimento específico de "corredor lateral" ($D^{**}$).
• Eles estabeleceram um novo recorde mundial para a medição de um decaimento Lambda específico.
• Eles criaram o mapa mais detalhado até agora de como uma partícula $B^0$ gira e se desintegra.

Até agora, o "porteiro" ainda está tratando todos com justiça, e as "máquinas de fábrica" estão operando exatamente como o livro de receitas prevê. Nenhuma nova física foi encontrada nestas medições específicas, mas a precisão dessas medições é essencial para detectar as pequenas rachaduras no livro de regras que podem aparecer em experimentos futuros.

Resumo técnico

1. Formulação do Problema e Motivação

O Modelo Padrão (MP) prevê a Universalidade do Sabor de Lépton (LFU), afirmando que os bósons de gauge eletrofracos acoplam universalmente a todos os léptons carregados ($e, \mu, \tau$), com diferenças surgindo exclusivamente das massas dos léptons. Qualquer desvio desse princípio sinalizaria Nova Física (NP).

Medidas recentes do Belle, BaBar e LHCb revelaram tensões com as previsões do MP em:

• Razões de LFU: $R(D)$ e $R(D^*)$ mostram uma discrepância de $\sim 3,8\sigma$ entre as previsões do MP e as médias experimentais.
• Elementos da Matriz CKM: Discrepâncias de $2\text{--}3\sigma$ existem entre os valores de $|V_{ub}|$ e $|V_{cb}|$ extraídos de decaimentos de hádrons $b$ exclusivos versus inclusivos.

Decaimentos semileptônicos de hádrons $b$ são ideais para testar essas anomalias devido às suas grandes frações de ramificação e elementos de matriz hadrônicos teoricamente limpos (dominados por diagramas de nível de árvore). Este artigo apresenta três análises específicas que abordam fundos, decaimentos de híperons e extrações de fatores de forma para refinar esses testes.

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2. Metodologia e Contribuições Principais

O artigo detalha três análises distintas realizadas utilizando dados do LHCb coletados entre 2011 e 2018.

A. Medição da Razão de Fração de Ramificação $R(D^{**})$

• Contexto: Nas medições de $R(D^*)$ usando decaimentos hadrônicos de $\tau$, decaimentos em ressonâncias de mésons charmados excitados superiores ($D^{**}$) constituem um fundo significativo ($\sim 3,5\%$).
• Objetivo: Realizar a primeira medição da razão $R(D^{**}_{1,2})$ para restringir esse fundo e testar a LFU no setor $D^{**}$.
• Metodologia:
  • Conjunto de Dados: $9 \text{ fb}^{-1}$ (2011–2018).
  • Canal de Sinal: $B^- \to D^{**0} \tau^- \bar{\nu}_\tau$, onde $D^{**0}$ refere-se à soma dos estados estreitos $D_1(2420)^0$ e $D_2(2460)^0$ (coletivamente $D^{**0}_{1,2}$), e o $\tau$ decai hadronicamente.
  • Normalização: $B^- \to D^{**0}_{1,2} D_s^-$ (razão de ramificação retirada de uma análise de amplitude anterior do LHCb).
  • Técnica de Análise: Um ajuste de template tridimensional binned utilizando:
    1. Diferença de massa $\Delta m = m(D^{**0}) - m(D^{*+})$.
    2. Massa invariante do sistema leptônico $q^2$.
    3. Saída de uma Árvore de Decisão Boosted (BDT) treinada para rejeitar fundos de $D_s$.
• Contribuição Principal: Primeira evidência para o modo de decaimento $B^- \to D^{**0}_{1,2} \tau^- \bar{\nu}_\tau$.

B. Medição da Fração de Ramificação $\mathcal{B}(\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu)$

• Contexto: Decaimentos semileptônicos de híperons (transição $s \to u$) são sensíveis a contribuições de NP escalar e tensorial. Eles também permitem a determinação de $|V_{us}|$ para testar a unitariedade da CKM.
• Objetivo: Medir a fração de ramificação de $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ para melhorar a precisão sobre resultados anteriores e calcular a razão de LFU $R_{\mu/e}$.
• Metodologia:
  • Conjunto de Dados: $5,4 \text{ fb}^{-1}$ (2016–2018).
  • Normalização: $\Lambda \to p \pi^-$ (fração de ramificação conhecida $\approx 0,641$).
  • Técnica de Análise:
    • Extração de sinal via ajuste de máxima verossimilhança binned em bins de massa corrigida $m_{\text{corr}}(p\pi)$ e massa invariante $m(p\pi)$.
    • O ajuste utiliza um esquema de binning em plano 2D para separar sinal de fundo.
• Contribuição Principal: Uma medição de precisão líder mundial da fração de ramificação de $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$, melhorando a precisão por um fator de dois em comparação com o BESIII.

C. Extração de Parâmetros de Fator de Forma em $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$

• Contexto: A taxa de decaimento diferencial de $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$ depende dos ângulos de decaimento ($\theta_D, \theta_\ell, \chi$) e $q^2$, tornando-a sensível à NP.
• Objetivo: Extrair parâmetros de fatores de forma hadrônicos usando uma análise angular multidimensional.
• Metodologia:
  • Conjunto de Dados: $3,0 \text{ fb}^{-1}$ (2011–2012).
  • Técnica de Análise: Um ajuste binned de cinco dimensões para:
    1. Três ângulos de decaimento ($\theta_D, \theta_\ell, \chi$).
    2. Momento transferido ao quadrado ($q^2$).
    3. Massa invariante faltante ao quadrado ($m^2_{\text{miss}}$).
  • Modelos: A análise assume três parametrizações de fatores de forma: BGL (Boyd-Grinstein-Lebed), CLN (Caprini-Lellouch-Neubert) e BLPR.
  • Otimização: O Critério de Informação Bayesiano (BIC) é usado para otimizar a ordem de truncamento da série de coeficientes BGL.
• Contribuição Principal: A primeira análise angular do LHCb deste modo, fornecendo parâmetros de fatores de forma com precisão aprimorada e verificando restrições de unitariedade.

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3. Resultados

1. Medição de $R(D^{**}_{1,2})$:

   • Rendimento de Sinal: $123 \pm 23$ eventos.
   • Significância: $3,5\sigma$ (Primeira evidência para este decaimento).
   • Fração de Ramificação Visível: $\mathcal{B}(B^- \to D^{**0}_{1,2} \tau^- \bar{\nu}_\tau) \times \mathcal{B}(D^{**0}_{1,2} \to D^{*+}\pi^-) = (5,1 \pm 1,7) \times 10^{-4}$.
   • Razão de LFU: $R(D^{**}_{1,2}) = 0,13 \pm 0,04$.
   • Conclusão: Consistente com a previsão do MP de $0,09 \pm 0,02$.

2. Fração de Ramificação de $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$:

   • Valor Medido: $\mathcal{B}(\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu) = (1,46 \pm 0,10) \times 10^{-4}$ (Incerteza total de 6,9%).
   • Razão de LFU ($R_{\mu/e}$): Calculada usando o valor do modo de elétron da literatura: $R_{\mu/e} = 0,175 \pm 0,012$.
   • Conclusão: Compatível com a previsão do MP de $0,153 \pm 0,008$.

3. Parâmetros de Fator de Forma ($B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$):

   • Os valores de fatores de forma medidos são consistentes entre os modelos BGL, CLN e BLPR.
   • Os resultados concordam com cálculos recentes de QCD em Rede (Lattice QCD).
   • Os parâmetros BGL satisfazem as restrições de unitariedade, e a análise alcança precisão aprimorada sobre medições anteriores.

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4. Significância

• Controle de Fundo: A primeira medição de $R(D^{**})$ fornece restrições cruciais sobre fundos para medições de $R(D^*)$, ajudando a esclarecer a origem das anomalias de LFU existentes.
• Física de Híperons de Precisão: O resultado para $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ representa a determinação mais precisa até a data, oferecendo uma nova sonda independente para $|V_{us}|$ e NP no setor $s \to u$.
• Validação Teórica: A análise angular de $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$ valida a consistência de diferentes parametrizações de fatores de forma e entradas de QCD em Rede, reforçando o arcabouço teórico usado para interpretar transições $b \to c$.
• Impacto Geral: Estes resultados confirmam o papel central do LHCb no programa de física de sabor, fornecendo dados complementares às Fábricas de B (Belle/BaBar) e apertando restrições sobre cenários potenciais de Nova Física.