Measurements of the inclusive Branching fractions of the $D_s^+ \to \eta (\eta^\prime) X$ decays

No mundo subatômico, a matéria é construída a partir de uma pequena família de partículas fundamentais chamadas quarks. Quando esses quarks se emparelham, eles formam partículas de vida curta conhecidas como mésons. Um desses mens, o méson $D^+_s$, é uma combinação específica de um quark charme e um quark estranho. Por ser instável, ele não dura muito; ele se desintegra rapidamente em outras partículas mais leves. Físicos estudam essas desintegrações, chamadas de decaimentos, para entender as regras que regem como a matéria se transforma. Ao medir exatamente a frequência com que um méson $D^+_s$ se transforma em grupos específicos de partículas, os cientistas podem verificar se suas teorias atuais sobre o universo estão completas. Se os números somarem perfeitamente, a teoria se mantém. Se houver uma lacuna entre o que é previsto e o que é visto, isso sugere que existem processos ocultos ou partículas não descobertas à espera de serem encontradas.

Um pesquisador utilizando o detector BESIII, no Instituto de Física de Alta Energia em Pequim, lançou um novo olhar de alta precisão sobre como o méson $D^+_s$ decai. Eles focaram em dois resultados específicos: casos em que o decaimento produz uma partícula chamada méson eta, e casos em que produz um primo ligeiramente mais pesado, o méson eta-prime. Essas duas partículas são especiais porque aparecem em um grande número de decaimentos de $D^+_s$, respondendo por mais de um terço de todos esses eventos. No entanto, medições anteriores desses decaimentos não eram precisas o suficiente para dizer se as formas conhecidas pelas quais a partícula se desintegra eram as únicas formas. O novo estudo utiliza uma enorme quantidade de dados coletados de colisões elétron-pósitron para medir essas taxas de decaimento com muito mais precisão do que nunca.

O pesquisador analisou dados correspondentes a uma luminosidade integrada de 7,33 femtobarns inversos, coletados em energias de colisão entre 4,128 e 4,226 GeV. Para encontrar os decaimentos raros que procuravam, utilizaram uma técnica inteligente chamada método de "dupla etiqueta" (double-tag). Em seu experimento, elétrons e pósitrons colidem para criar pares de mésons $D^+_s movendo-se em direções opostas. O pesquisador reconstruiu totalmente um dos mésons do par, identificando exatamente como ele decaiu. Este ato de identificar metade do par é chamado de "etiquetagem" (tagging). Como os dois mésons são criados juntos, conhecer as propriedades do primeiro permite ao cientista inferir a existência e as propriedades do segundo, mesmo que ele não consiga ver cada uma das partículas que o segundo produz. Ao observar os detritos restantes do segundo méson, eles puderam contar quantas vezes ele produziu uma partícula eta ou uma partícula eta-prime, independentemente de quais outras partículas fossem criadas ao lado delas.

Os resultados deste exercício de contagem são precisos. O pesquisador descobriu que o méson $D^+_s$ decai em uma partícula eta mais outros detritos cerca de 30,72 por cento das vezes. Para a partícula eta-prime, a taxa é de 12,30 por cento. Esses números vêm com margens de erro muito pequenas, representando uma melhoria significativa na precisão em relação a medições anteriores feitas por outros experimentos. Os novos dados são consistentes com achados anteriores, confirmando que o quadro básico desses decaimentos está correto, mas as barras de erro muito mais estreitas permitem um teste mais rigoroso da física subjacente.

Quando o pesquisador somou todas as formas específicas conhecidas pelas quais o méson $D^+_s$ pode decair em uma partícula eta, encontrou um total de cerca de 25,40 por cento. Sua nova medição da taxa total, de 30,72 por cento, é maior que essa soma. Essa diferença sugere que provavelmente existem outras formas não observadas pelas quais o méson $D^+_s$ pode decair em uma partícula eta que ainda não foram identificadas. A lacuna é pequena, mas estatisticamente significativa, sugerindo modos de decaimento ocultos que experimentos futuros podem precisar caçar. Em contraste, quando realizaram o mesmo cálculo para a partícula eta-prime, os modos de decaimento conhecidos somaram 11,97 por cento, o que é quase idêntico à sua nova medição de 12,30 por cento. Esse acordo sugere que, para o eta-prime, os cientistas provavelmente já encontraram quase todas as formas pelas quais esta partícula aparece nos decaimentos de $D^+_s$.

Essas descobertas servem como uma referência vital para o campo mais amplo da física de partículas. Medições precisas de quão frequentemente as partículas decaem são essenciais para calibrar experimentos que estudam partículas mais pesadas, como aquelas que contêm quarks bottom. Ao fornecer esses números precisos, a colaboração BESIII ajuda a reduzir incertezas em outras áreas de pesquisa. O estudo confirma que, embora os caminhos de decaimento conhecidos para o eta-prime sejam bem compreendidos, a história para a partícula eta ainda não terminou. A lacuna pequena, mas perceptível, nos números aponta para uma fronteira de descoberta, convidando a investigações adicionais sobre os comportamentos invisíveis do mundo subatômico.