Improved measurement of
Utilizando uma grande amostra de eventos de coletados pelo detector BESIII, este estudo realiza uma análise de onda parcial do decaimento para medir a fração de ramificação do canal , observar o decaimento pela primeira vez com alta significância e determinar o ângulo de mistura -.
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Nas profundezas do mundo subatômico, partículas conhecidas como charmônios atuam como laboratórios únicos para os físicos. Estes são estados de vida curta formados quando um quark charme pesado e seu gêmeo de antimatéria, o antiquark charme, ligam-se entre si. Por serem pesados e decairem rapidamente, eles oferecem um vislumbre raro da força forte, a interação fundamental que mantém os núcleos atômicos unidos. Quando essas partículas de charmônio se desintegram, elas frequentemente se transformam em pares de partículas mais leves chamadas mésons. Ao estudar exatamente como essas transformações ocorrem, os cientistas podem testar as regras da mecânica quântica e buscar sutis violações de simetria que possam explicar por que o universo é feito de matéria em vez de antimatéria. Um enigma específico envolve duas partículas neutras, o eta e o eta-prime. Embora pareçam e se comportem de forma muito semelhante, eles são, na verdade, misturas de diferentes combinações de quarks subjacentes. A maneira precisa como eles estão misturados é definida por um único número, um ângulo que tem sido difícil de determinar. Determinar esse ângulo ajuda os físicos a entender como a força forte trata diferentes tipos de quarks e se existem componentes exóticos ocultos nessas partículas.
Uma equipe de pesquisadores utilizando o detector BESIII no Colisor Elétron-Pósitron de Pequim deu agora um grande passo para resolver este enigma. Eles analisaram uma coleção massiva de dados contendo mais de 2,7 bilhões de instâncias de uma partícula de charmônio específica, o psi(3686), decaindo em um par de píons carregados e uma partícula eta. Este é um evento raro e, para encontrá-lo, a equipe teve que peneirar um vasto oceano de outras interações de partículas. Eles focaram sua busca em uma faixa específica de energias onde uma partícula bem conhecida chamada méson rho é esperada aparecer. Ao reconstruir as trajetórias e energias das partículas produzidas nessas colisões, eles foram capazes de isolar o sinal do ruído de fundo. O tamanho imenso de seu conjunto de dados permitiu que realizassem uma análise de onda parcial detalhada, um método estatístico sofisticado que desmembra as diferentes maneiras pelas quais o decaimento pode ocorrer. Essa abordagem revelou não apenas os camros de decaimento esperados, mas também um processo anteriormente não visto.
O estudo confirmou o decaimento do psi(3686) em um méson rho e uma partícula eta com alta precisão, medindo sua frequência para ser aproximadamente 1,34 vezes 10 à potência de menos 5. Mais significativamente, os pesquisadores observaram um novo modo de decaimento pela primeira vez: o psi(3686) transformando-se em um méson a2 e um píon. Esta descoberta foi feita com um nível extremamente alto de confiança, excedendo em muito o limite exigido para reivindicar uma nova observação na física de partículas. A equipe também mediu como essas taxas de decaimento mudam conforme a energia de colisão é ajustada ligeiramente acima e abaixo do pico de ressonância. Isso permitiu separar o decaimento direto da partícula de charmônio do contínuo de fundo da produção de partículas que acontece mesmo sem a ressonância, um passo crucial para obter uma medição precisa.
Com essas medições precisas em mãos, a equipe voltou sua atenção para o ângulo de mistura das partículas eta e eta-prime. Ao comparar a taxa do decaimento rho-eta que acabaram de medir com medições anteriores de um decaimento semelhante envolvendo o eta-prime, eles puderam calcular o ângulo de mistura. A análise rendeu dois valores possíveis para este ângulo: aproximadamente negativo 11,2 graus ou negativo 19,4 graus. Ambos os resultados alinham-se bem com previsões teóricas da cromodinâmica quântica em rede (lattice QCD), um método de cálculo de propriedades de partículas usando supercomputadores. Embora as duas soluções difiram, ambas são consistentes com as leis conhecidas da física e fornecem uma restrição muito mais rigorosa sobre o ângulo de mistura do que experimentos anteriores. Este trabalho não apenas refina um número; ele confirma a existência de um novo caminho de decaimento e demonstra como a interação entre diferentes estados quânticos molda o comportamento da matéria no nível mais fundamental. As descobertas oferecem uma imagem mais clara de como a força forte opera e como os blocos de construção do universo estão organizados.
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