Angular analysis of the decay Λb0→Λ(1520)μ+μ−
Utilizando 9 fb−1 de dados de colisões próton-próton do detector LHCb, este artigo apresenta a primeira análise angular de decaimentos de Λb0→Λ(1520)μ+μ−, medindo observáveis angulares fundamentais que se encontram em bom acordo com as previsões do Modelo Padrão.
Autores originais: LHCb collaboration, R. Aaij, M. Abdelfatah, A. S. W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta, F. Abudinén, T. Ackernley, A. A. Adefisoye, B. Adeva, M. Adinolfi, P. Adlarson, C. Agapopoulou, C. A. Aidala, S. Akar, K. Akiba, H. Al Saleh, P. Albicocco, J. Albrecht, R. Aleksiejunas, F. Alessio, P. Alvarez Cartelle, A. A. Alves Jr, S. Amato, J. L. Amey, Y. Amhis, Z. Amos, L. An, L. Anderlini, P. Andreola, M. Andreotti, S. Andres Estrada, A. Anelli, D. Ao, C. Arata, F. Archilli, Z. Areg, M. Argenton, S. Arguedas Cuendis, L. Arnone, M. Artuso, E. Aslanides, R. Ataíde Da Silva, M. Atzeni, B. Audurier, J. A. Authier, D. Bacher, I. Bachiller Perea, S. Bachmann, M. Bachmayer, J. J. Back, M. Bai, Z. B. Bai, V. Balagura, A. Balboni, W. Baldini, Z. Baldwin, L. Balzani, H. Bao, J. Baptista de Souza Leite, C. Barbero Pretel, I. R. Barbosa, W. Barker, R. J. Barlow, M. Barnyakov, S. Baron, S. Barsuk, W. Barter, J. Bartz, S. Bashir, B. Batsukh, P. B. Battista, A. Bavarchee, A. Bay, A. Beck, M. Becker, F. Bedeschi, I. B. Bediaga, N. A. Behling, S. Belin, A. Bellavista, I. Belyaev, G. Bencivenni, E. Ben-Haim, J. L. M. Berkey, R. Bernet, A. Bertolin, L. Bertsch, F. Betti, J. Bex, O. Bezshyyko, S. Bhattacharya, M. S. Bieker, N. V. Biesuz, A. Biolchini, M. Birch, F. C. R. Bishop, A. Bitadze, A. Bizzeti, T. Blake, F. Blanc, J. E. Blank, S. Blusk, J. A. Boelhauve, O. Boente Garcia, T. Boettcher, A. Bohare, C. Bolognani, R. B. Bonacci, A. Bordelius, F. Borgato, S. Borghi, M. Borsato, J. T. Borsuk, E. Bottalico, S. A. Bouchiba, M. Bovill, T. J. V. Bowcock, A. Boyer, C. Bozzi, J. D. Brandenburg, A. Brea Rodriguez, N. Breer, C. Breitfeld, J. Brodzicka, J. Brown, E. Buchanan, M. Burgos Marcos, C. Burr, E. Butera, C. Buti, J. S. Butter, W. Byczynski, S. Cadeddu, H. Cai, Y. Cai, Y. Cai, A. Caillet, R. Calabrese, L. Calefice, M. Calvi, M. Calvo Gomez, P. Camargo Magalhaes, J. I. Cambon Bouzas, P. Campana, A. Campomagnani, A. C. Campos, A. F. Campoverde Quezada, Y. Cao, S. Capelli, M. Caporale, L. Capriotti, R. Caravaca-Mora, A. Carbone, L. Carcedo Salgado, R. Cardinale, A. Cardini, P. Carniti, L. Carus, R. Caspary, G. Casse, M. Cattaneo, G. Cavallero, V. Cavallini, S. Celani, I. Celestino, S. Cesare, A. J. Chadwick, M. Charles, Ph. Charpentier, E. Chatzianagnostou, R. Cheaib, M. Chefdeville, C. Chen, J. Chen, S. Chen, Z. Chen, A. Chen Hu, M. Cherif, S. Chernyshenko, X. Chiotopoulos, G. Chizhik, V. Chobanova, A. Christakakis, M. Chrzaszcz, Y. Chu, V. Chulikov, P. Ciambrone, X. Cid Vidal, P. Cifra, P. E. L. Clarke, M. Clemencic, H. V. Cliff, J. Closier, C. Cocha Toapaxi, V. Coco, A. Codovini, C. Codovini, J. Cogan, E. Cogneras, L. Cojocariu, S. Collaviti, P. Collins, T. Colombo, M. Colonna, A. Comerma-Montells, L. Congedo, J. Connaughton, A. Contu, N. Cooke, A. Corallo, G. Cordova, C. Coronel, I. Corredoira, A. Correia, G. Corti, G. C. Costantino, C. Cotirlan, J. Cottee Meldrum, B. Couturier, D. C. Craik, N. Crepet, M. Cruz Torres, M. Cubero Campos, E. Curras Rivera, R. Currie, C. L. Da Silva, X. Dai, J. Dalseno, C. D'Ambrosio, G. Darze, A. Davidson, O. De Aguiar Francisco, C. De Angelis, F. De Benedetti, J. de Boer, K. De Bruyn, S. De Capua, M. De Cian, U. De Freitas Carneiro Da Graca, F. De Gregorio, E. De Lucia, J. M. De Miranda, L. De Paula, A. De Robertis, E. De Santis, M. De Serio, P. De Simone, F. De Vellis, J. A. de Vries, F. Debernardis, D. Decamp, S. Dekkers, L. Del Buono, B. Demaire-Lepape, J. Deng, O. Deschamps, F. Dettori, B. Dey, P. Di Nezza, S. Ding, Y. Ding, L. Dittmann, J. F. Diverchy, A. D. Docheva, A. Doheny, C. Dong, F. Dordei, J. Dorta Moreno, A. C. dos Reis, J. Dos Santos Oliveira, A. D. Dowling, L. Dreyfus, W. Duan, P. Duda, L. Dufour, V. Duk, P. Durante, M. M. Duras, J. M. Durham, K. Duwe, A. Dziurda, S. Easo, E. Eckstein, U. Egede, S. Eisenhardt, E. Ejopu, L. Eklund, M. Elashri, D. Elizondo Blanco, J. Ellbracht, S. Ely, A. Ene, T. Evans, F. Fabiano, S. Faghih, L. N. Falcao, B. Fang, R. Fantechi, L. Fantini, M. Faria, K. Farmer, F. Fassin, D. Fazzini, L. Felkowski, C. Feng, M. Feng, A. Fernandez Casani, M. Fernandez Gomez, B. Fernandez Rodino, J. Fernandez-John, A. D. Fernez, F. Ferrari, F. Ferreira Rodrigues, R. A. Fini, R. Fiorenza, M. Fiorini, M. Firlej, D. S. Fitzgerald, C. Fitzpatrick, T. Fiutowski, F. Fleuret, A. Fomin, M. Fontana, M. Fontes Vaz, L. A. Foreman, R. Forty, D. Foulds-Holt, V. Franco Lima, M. Franco Sevilla, M. Frank, E. Franzoso, G. Frau, C. Frei, D. A. Friday, J. Fu, Y. Fu, Q. Führing, T. Fulghesu, M. Fulghieri, G. Galati, M. D. Galati, A. Gallas Torreira, D. Galli, S. Gambetta, M. Gandelman, P. Gandini, B. Ganie, H. Gao, R. Gao, T. Q. Gao, Y. Gao, Y. Gao, Y. Gao, L. M. Garcia Martin, P. Garcia Moreno, J. García Pardiñas, P. Gardner, L. Garrido, C. Gaspar, A. Gavrikov, J. George, E. Gersabeck, M. Gersabeck, T. Gershon, S. Ghizzo, Z. Ghorbanimoghaddam, F. I. Giasemis, V. Gibson, H. K. Giemza, A. L. Gilman, M. Giovannetti, A. Gioventù, L. Girardey, M. A. 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Hulsbergen, R. J. Hunter, D. Hutchcroft, M. Idzik, P. Ilten, A. Iohner, S. Jacevicius, H. Jage, S. J. Jaimes Elles, S. Jakobsen, T. Jakoubek, E. Jans, A. Jawahery, C. Jayaweera, A. Jelavic, V. Jevtic, Z. Jia, E. Jiang, X. Jiang, Y. Jiang, Y. J. Jiang, E. Jimenez Moya, N. Jindal, M. John, A. John Rubesh Rajan, D. Johnson, C. R. Jones, S. Joshi, B. Jost, J. Juan Castella, N. Jurik, I. Juszczak, K. Kalecinska, D. Kaminaris, S. Kandybei, M. Kane, Y. Kang, C. Kar, A. Kauniskangas, J. W. Kautz, M. K. Kazanecki, F. Keizer, M. Kenzie, T. Ketel, B. Khanji, S. Kholodenko, V. Kholoimov, G. Khreich, F. Kiraz, T. Kirn, V. S. Kirsebom, N. Kleijne, A. Kleimenova, D. Klekots, K. Klimaszewski, M. R. Kmiec, T. Knospe, R. Kolb, S. Koliiev, L. Kolk, A. Konoplyannikov, P. Kopciewicz, P. Koppenburg, A. Korchin, I. Kostiuk, O. Kot, S. Kotriakhova, E. Kowalczyk, O. Kravcov, M. Kreps, W. Krupa, W. Krzemien, O. Kshyvanskyi, S. Kubis, M. Kucharczyk, A. Kupsc, A. Kurzina, V. Kushnir, B. Kutsenko, J. Kvapil, I. Kyryllin, D. Lacarrere, P. Laguarta Gonzalez, A. Lai, A. Lampis, D. Lancierini, C. Landesa Gomez, G. Lanfranchi, C. Langenbruch, T. Latham, F. Lazzari, C. Lazzeroni, R. Le Gac, H. Lee, R. Lefèvre, M. Lehuraux, C. Lemettais, E. Lemos Cid, O. Leroy, T. Lesiak, E. D. Lesser, B. Leverington, A. Li, C. Li, C. Li, H. Li, J. Li, K. Li, L. Li, L. Li, P. Li, P. -R. Li, Q. Li, T. Li, T. Li, W. Li, Y. Li, Y. Li, Y. Li, Z. Li, Z. Lian, Q. Liang, X. Liang, Z. Liang, S. Libralon, A. Lightbody, J. Lin, S. Lin, T. Lin, R. Lindner, H. Linton, R. Litvinov, D. Liu, F. L. Liu, G. Liu, K. Liu, S. Liu, W. Liu, X. Liu, Y. Liu, Y. Liu, Y. L. Liu, G. Loachamin Ordonez, I. Lobo, A. Lobo Salvia, A. Loi, T. Long, F. C. L. Lopes, J. H. Lopes, A. Lopez Huertas, C. Lopez Iribarnegaray, Q. Lu, C. Lucarelli, D. Lucchesi, M. Lucio Martinez, Y. Luo, A. Lupato, M. Lupberger, E. Luppi, K. Lynch, J. Lyu, S. Lyu, X. -R. Lyu, H. Ma, S. Maccolini, F. Machefert, F. Maciuc, B. Mack, I. Mackay, L. M. Mackey, L. R. 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Wang, C. Wang, C. Wang, G. Wang, H. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, J. Wang, M. Wang, N. W. Wang, X. Wang, X. Wang, X. Wang, X. W. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. Wang, Y. H. Wang, Z. Wang, Z. Wang, J. A. Ward, A. Wasili, M. Waterlaat, N. K. Watson, D. Websdale, Y. Wei, Z. Weida, J. Wendel, B. D. C. Westhenry, A. S. White, C. White, M. Whitehead, E. Whiter, A. R. Wiederhold, D. Wiedner, M. A. Wiegertjes, C. Wild, G. Wilkinson, M. K. Wilkinson, M. Williams, M. J. Williams, M. R. J. Williams, R. Williams, S. Williams, Z. Williams, F. F. Wilson, M. Winn, W. Wislicki, M. Witek, L. Witola, T. Wolf, E. Wood, G. Wormser, S. A. Wotton, H. Wu, J. Wu, T. Wu, X. Wu, Y. Wu, Z. Wu, K. Wyllie, S. Xian, Z. Xiang, Y. Xie, T. X. Xing, A. Xu, L. Xu, M. Xu, R. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, Z. Xu, S. Yadav, K. Yang, X. Yang, Y. Yang, Y. Yang, Z. Yang, Z. Yang, H. Yeung, H. Yin, X. Yin, C. Y. Yu, J. Yu, K. Yu, X. Yuan, Y Yuan, S. Zalambani, J. A. Zamora Saa, F. Zangari, M. Zavertyaev, M. Zdybal, F. Zenesini, C. Zeng, M. Zeng, S. H Zeng, C. Zhang, C. Zhang, D. Zhang, J. Zhang, L. Zhang, Q. Z. Zhang, R. Zhang, S. Zhang, S. L. Zhang, Y. Zhang, Z. Zhang, J. Zhao, M. Zhao, Y. Zhao, A. Zhelezov, S. Z. Zheng, X. Z. Zheng, Y. Zheng, T. Zhou, X. Zhou, V. Zhovkovska, L. Z. Zhu, X. Zhu, X. Zhu, Y. Zhu, V. Zhukov, J. Zhuo, T. Zies, D. Zuliani, X. Zuo
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Nas profundezas do mundo subatômico, partículas conhecidas como bárions são construídas a partir de três quarks, os blocos fundamentais da matéria. Entre elas, o bárion Lambda-b é uma partícula pesada e instável que contém um quark bottom. No Modelo Padrão, a teoria predominante da física de partículas, esta partícula pode decair, ou se decompor, em partículas mais leves. Uma forma específica de isso ocorrer envolve um quark bottom transformando-se em um quark strange, um processo que é raro e fortemente suprimido pelas leis da natureza. Como essa mudança acontece de forma tão infrequente e apenas através de complexos loops quânticos, ela atua como um microscópio sensível. Se as regras do Modelo Padrão forem incompletas, ou se novas forças invisíveis existirem, elas deixariam uma impressão digital distinta na forma como essas partículas se decompõem. Físicos estudam essas decaimentos raros para ver se o comportamento real da natureza corresponde às previsões precisas da teoria, ou se os dados revelam uma rachadura nos alicerces que aponte para uma nova física.
Pesquisadores do experimento LHCb (Large Hadron Collider beauty), o experimento de beleza do Grande Colisor de Hádrons, realizaram agora a primeira análise angular detalhada da decaimento do bárion Lambda-b em uma ressonância Lambda(1520) e um par de múons. O Lambda(1520) é um estado excitado de vida curta da partícula Lambda que rapidamente se decompõe em um próton e um kaon. Ao examinar as direções nas quais essas partículas resultantes voam em relação umas às outras, a equipe pôde reconstruir a geometria do decaimento. Eles analisaram dados coletados entre 2011 e 2018, correspondentes a nove femtobarns de colisões próton-próton. Este enorme conjunto de dados permitiu que eles isolassem milhares desses eventos raros e medissem quantidades específicas que descrevem a forma do decaimento. A equipe focou em duas medições principais: uma assimetria frente-trás, que nos diz se os múons preferem voar na direção da partícula original ou no sentido oposto a ela, e um observável angular com média de CP, que descreve a distribuição geral dos ângulos de decaimento.
A análise foi conduzida em cinco intervalos distintos da massa invariante do par de múons, um valor que atua como uma coordenada no espectro de energia do decaimento. Os pesquisadores tiveram que ser extremamente cuidadosos para separar o sinal do ruído de fundo. O decaimento que procuravam produz um próton e um kaon com uma massa combinada muito próxima de 1520 MeV/c², mas outras partículas podem imitar essa assinatura. Para resolver isso, eles utilizaram um modelo estatístico sofisticado que tratava o sinal como uma mistura da ressonância dominante Lambda(1520) e contribuições menores de outras ressonâncias mais leves com diferentes propriedades de spin. Eles também levaram em conta o fato de que o próprio detector não vê todas as direções igualmente, corrigindo esses vieses usando simulações computacionais detalhadas. Ao ajustar os dados ao seu modelo, eles extraíram os valores dos observáveis angulares em cada intervalo de energia.
Os resultados mostraram que os valores medidos para a assimetria frente-trás e a distribuição angular estão em boa concordância com as previsões do Modelo Padrão. Os dados não revelaram quaisquer desvios significativos que sugiram a presença de nova física ou forças além da teoria atual. Embora as medições sejam atualmente limitadas pela estatística, o que significa que mais dados seriam necessários para refinar a precisão, o fato de os resultados se alinharem com as expectativas teóricas é uma validação significativa de nossa compreensão desses processos raros. Este trabalho estabelece uma nova linha de base para o estudo de decaimentos de bárions, complementando estudos anteriores de mésons e abrindo as portas para testes futuros mais precisos à medida que o experimento LHCb continua a coletar dados. O estudo confirma que, para este canal de decaimento específico, a natureza se comporta consistentemente com as previsões do Modelo Padrão dentro das incertezas estatísticas atuais.
Resumo Técnico: Análise Angular do Decaimento Λb0→Λ(1520)μ+μ−
Problema e Motivação
O artigo aborda o decaimento de corrente neutra com mudança de sabor (FCNC) Λb0→Λ(1520)μ+μ−, um processo que envolve uma transição de quarks b→s que é Cabibbo- e loop-suprimida dentro do Modelo Padrão (SM). Embora decaimentos mensônicos semelhantes (por exemplo, B→K(∗)μ+μ−) tenham mostrado tensões com as previsões do SM, os decaimentos bariônicos oferecem uma sonda complementar. A presença de um quark espectador adicional no bárion Λb0 permite um tratamento teórico diferente da interação hadrônica, e os spins não nulos do Λb0 e da ressonância Λ(1520) (JP=3/2−) possibilitam a investigação de estruturas de spin inacessíveis em decaimentos de mésons. O objetivo principal é realizar a primeira análise angular deste canal de decaimento específico para medir observáveis angulares sensíveis à física além do Modelo Padrão (BSM).
Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo detector LHCb entre 2011 e 2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de 9 fb−1 em energias de centro de massa de 7, 8 e 13 TeV.
- Seleção de Eventos: Os candidatos são reconstruídos combinando um Λ(1520) (decaindo para pK−) com dois múons de cargas opostas. Os critérios de seleção incluem qualidade do vértice, significância da distância de voo e identificação de partículas. Um classificador de Árvore de Decisão Potencializada (BDT) multivariada é empregado para suprimir o fundo combinatório.
- Regiões Cinemáticas: A análise é realizada em cinco intervalos da massa invariante do dimuon ao quadrado (q2): quatro bins estreitos [0.1,3.0], [3.0,6.0], [6.0,8.0] e [10.0,12.5] GeV2/c4, e um bin largo [1.1,6.0] GeV2/c4. Regiões contendo ressonâncias J/ψ e ψ(2S) são excluídas.
- Formalismo Angular: A largura de decaimento diferencial é modelada usando uma expressão simplificada derivada no limite de quark pesado. A análise leva em conta a ressonância dominante Λ(1520) (J=3/2) e contribuições subdominantes de outras ressonâncias Λ∗ excitadas com spin J=1/2 (coletivamente ΛJ=1/2∗, principalmente Λ(1405) e Λ(1600)).
- Estratégia de Ajuste (Fitting):
- Ajuste de Massa: Um ajuste de máxima verossimilhança não binado estendido à massa invariante pK−μ+μ− determina o rendimento do sinal. O sinal é modelado com uma função Hypatia, e o fundo com uma exponencial.
- Ajuste de Linha de Forma (Lineshape): A distribuição de massa invariante pK− é ajustada para determinar a fração do componente Λ(1520) (f3/2) versus o fundo J=1/2, modelando o Λ(1520) com um Breit-Wigner relativístico e o componente J=1/2 com um polinômio.
- Ajuste Angular: As distribuições angulares (cosθℓ, cosθp) são ajustadas usando uma função de densidade de probabilidade (PDF) que inclui os observáveis angulares com média de CP para ambos os estados de spin e parâmetros (i1,i2) para modelar a interferência de fase forte entre as ressonâncias.
- Sistemáticas: Estudos extensivos de incertezas sistemáticas são realizados, cobrindo a modelagem da forma de massa, composição do fundo, correções de simulação para aceitação angular e vieses de ajuste decorrentes de fronteiras físicas.
Principais Contribuições
- Primeira Análise Angular: Este trabalho apresenta a primeira análise angular dos decaimentos Λb0→Λ(1520)μ+μ−.
- Novo Modelo de Ajuste: O artigo introduz um modelo de ajuste angular abrangente que lida simultaneamente com o sinal Λ(1520) J=3/2 e o fundo Λ∗ J=1/2, incluindo termos de interferência. Este modelo é validado usando pseudoexperimentos e simulação.
- Medição de Novos Observáveis: A análise determina a assimetria frente-trás leptônica (AFB,3/2ℓ) e o observável angular com média de CP (S1cc) em múltiplos bins de q2.
Resultados
Os valores medidos para AFB,3/2ℓ e S1cc nos cinco intervalos de q2 são apresentados na Tabela 3. Os resultados são estatisticamente dominados, com incertezas totais variando aproximadamente entre 0,1 e 0,3, dependendo do observável e do bin.
- Os valores medidos encontram-se em bom acordo com as previsões do Modelo Padrão baseadas em QCD em rede (Lattice QCD), limites dispersivos e cálculos de Modelo de Quark.
- Especificamente, os valores de AFB,3/2ℓ são consistentes com zero dentro das incertezas na maioria dos bins, e os valores de S1cc alinham-se com as expectativas teóricas.
- A análise confirma que os efeitos de interferência entre a Λ(1520) e outras ressonâncias Λ∗ são não negligenciáveis e devem ser incluídos no modelo de ajuste.
Significância
O artigo afirma que os resultados fornecem uma primeira medição bem-sucedida de observáveis angulares neste canal de decaimento bariônico, validando o arcabouço teórico usado para descrever a estrutura de spin da interação. O acordo com as previsões do SM sugere que não há desvio significativo do Modelo Padrão neste canal específico no nível atual de precisão. Os autores observam que a medição é atualmente limitada pela estatística e que análises futuras com conjuntos de dados maiores coletados pelo LHCb permitirão modelos mais complexos e potencialmente uma melhor discriminação entre as previsões teóricas. O trabalho estabelece uma metodologia para analisar decaimentos Λb0→Λ∗μ+μ− que leva em conta as complexidades de ressonâncias sobrepostas e interferência.
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