Observation of a $B_c^{*+}$ meson with the ATLAS detector

利用来自 ATLAS 探测器的 13 TeV 质子 - 质子对撞数据，物理学家首次观测到了$B_c^{*+}$介子，这是一种衰变为$B_c^+$介子和光子的新矢量态，其统计显著性超过 8 个标准差。

要点

想象宇宙是一个巨大的宇宙建筑工地，其中粒子是建筑块。大多数时候，这些块成对出现：一个重的“底”夸克和一个重的“粲”夸克通常结合在一起，形成一种称为$B_c$介子的特定粒子。将这种粒子想象成高楼中一个稳固的一楼公寓。

长期以来，物理学家知道，如果给这个公寓添加能量，它就可以移动到“更高楼层”（激发态）。他们已经发现了一些这样的更高楼层，但有一个特定的、非常低的楼层一直难以捉摸：$B_c^*$介子。

挑战：光子的“低语”

寻找这种特定激发态的难点在于它如何回落至一楼。当它下落时，并不会撞击或爆炸；它只是释放出一个微小、几乎不可见的能量包，称为光子（光的粒子）。

由于“激发”态与“基态”之间的能量差非常小，所释放的光子极其微弱——就像飓风中的低语。在大型强子对撞机（LHC）嘈杂而混乱的环境中，每秒发生数十亿次碰撞，探测如此微弱的低语极其困难。大多数探测器被调谐以捕捉“喊声”（高能粒子），而非低语。

侦探工作：ATLAS 介入

CERN 的 ATLAS 实验就像一个超级侦探团队。他们不仅寻找那声低语，还寻找留下的“足迹”。

1. 踪迹：他们知道$B_c$介子会衰变为一组特定的三个μ子（电子的重表亲）和一个中微子（一种难以捕捉的幽灵粒子）。
2. 技巧：为了找到微弱的光子，他们没有直接寻找光本身。相反，他们寻找光子投下的“阴影”。当光子撞击探测器的材料时，它可以分裂成一个电子和一个正电子（一对带电粒子）。该团队构建了一种特殊工具来捕捉这些粒子对，即使它们运动得非常缓慢。
3. 过滤：他们必须过滤掉数百万个“虚假”信号。这就像试图在拥挤的体育场中找到一个特定的人，通过寻找戴着非常特定、罕见帽子的人，同时忽略其他可能误戴类似帽子的人。

发现：新楼层被发现

在筛选了来自 140 万亿次碰撞的数据（海量信息）后，该团队发现了一个独特的模式。他们观察到一个事件簇，其中$B_c$介子加上微弱光子的质量恰好比基态$B_c$介子重64.5 MeV。

为了更直观地理解：如果基态$B_c$介子的重量相当于一颗大苹果，那么这个新的激发态的重量仅比它多一粒沙子的一小部分。

结论

该团队计算出，这种模式仅凭随机运气出现的概率低于十亿分之一（具体来说，它超过了8 个标准差，这是物理学中“发现”的黄金标准）。

这意味着什么？

• 确认：他们已正式观测到$B_c^*$介子，即底 - 粲系统的最低激发态。
• 理论检验：他们测量的质量与理论模型对该粒子建筑中特定“楼层”的预测相符。
• 谜团：有趣的是，测得的质量差略高于最精确的近期计算机模拟（格点量子色动力学）的预测。这表明，虽然我们的理论非常优秀，但关于我们如何需要完善这些重夸克如何相互作用的谜题，可能仍有一小块拼图有待完善。

简而言之，ATLAS 团队成功听到了一个一直隐藏在众目睽睽之下的新粒子的“低语”，确认了物质在最基本层面上如何构建的地图中的关键一块。

技术摘要

技术摘要：利用 ATLAS 探测器观测 $B_c^*$ 介子

问题与动机
$B_c$ 介子由一个 $b$ 反夸克和一个 $c$ 夸克组成，由于其组分的质量不对称性，代表了研究重夸克束缚态动力学的独特系统。尽管关于 $\bar{b}c$ 激发态谱存在广泛的理论预测，但实验认知一直受到抑制的产生率的限制，这需要同时产生两个重夸克 - 反夸克对。ATLAS、CMS 和 LHCb 先前的观测已识别出激发态，如 $2S$ 径向激发态和 $1P$ 轨道激发态，它们相对于基态（$B_c^+$）的质量差在 400–600 MeV 范围内。

然而，包括晶格 QCD 和 QCD 势模型在内的理论模型预测存在一个最低矢量激发态，即 $B_c^*$ 介子，其相对于基态的质量分裂显著更小，估计在 50 至 70 MeV 之间。该态预期几乎 exclusively 衰变为 $B_c^+ \gamma$。微小的质量差导致光子能谱非常软（通常低于 1–2 GeV），使得在 LHC 上进行实验探测极具挑战性，因为此类光子难以使用基于标准量热计的方法进行重建。

方法
本分析利用 ATLAS 探测器在 LHC 第 2 次运行（2015–2018 年）期间收集的质心能量 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的质子 - 质子碰撞数据，对应积分亮度为 140 fb$^{-1}$。

• 信号重建：$B_c^+$ 介子通过衰变链 $B_c^+ \to J/\psi(\to \mu^+\mu^-)\mu^+\nu_\mu X$ 进行重建。选择该道而非 $B_c^+ \to J/\psi\pi^+$ 模式，是因为其分支比大约大 20 倍，这补偿了由未探测到的中微子引入的复杂性以及由此产生的部分重建末态。$B_c^+$ 候选者由三个缪子形成的位移顶点进行识别。
• 光子重建：为了探测来自 $B_c^* \to B_c^+ \gamma$ 衰变的软光子，本分析利用了探测器材料中的光子转换。在硅像素探测器体积内，将成对的相反电荷径迹（$e^+e^-$）重建为转换顶点。采用专用的径迹重建设置，将电子的横向动量（$p_T$）阈值降低至 100 MeV，远低于 ATLAS 标准分析中通常使用的 400–500 MeV。
• 事例选择与背景抑制：
  • 要求候选者具有 $B_c^+$ 横向动量 $p_T > 25$ GeV。
  • 为了将信号与背景分离，分析基于修改后的拟合（其中第三个缪子被赋予 K 介子质量假设）的顶点拟合质量（$\chi^2$）定义了两个区域。区域 1（$\chi^2/N_{dof} \le 2.5$）包含来自 $B^+ \to J/\psi K^+$ 衰变和组合背景的重要贡献。区域 2（$\chi^2/N_{dof} > 2.5$）被设计为实际上不含 $B^+ \to J/\psi K^+$ 贡献。
  • 信号利用质量差分布 $\Delta m = m(J/\psi \mu^+ e^+ e^-) - m(J/\psi \mu^+)$ 进行识别。
• 统计分析：对两个区域的 $\Delta m$ 分布同时进行扩展非分箱最大似然拟合。$B_c^* \to B_c^+ \gamma$ 的信号模板源自使用自适应高斯核密度估计（KDE）的蒙特卡洛模拟。背景贡献使用数据驱动的事例混合技术进行建模，并针对光子 $p_T$ 谱中的偏差进行了修正。

主要贡献与结果
本分析报告了首次观测到与 $B_c^*$ 介子理论预期一致的介子态。

• 显著性：新态的观测统计显著性超过 8 个标准差（在标称模型下，局部和全局显著性均超过 10$\sigma$）。
• 质量测量：观测态与基态 $B_c^+$ 介子之间的质量差测量值为：
  $$\Delta m = 64.5 \pm 1.4 \text{ (统计)} ^{+1.0}_{-1.4} \text{ (系统)} \text{ MeV}$$
  这对应于观测态的质量为 $6339.0 \pm 1.4 \text{ (统计)} ^{+1.0}_{-1.4} \text{ (系统)} \pm 0.3 (m_{B_c^+}) \text{ MeV}$。
• 系统不确定度：主要的系统不确定度源于内层探测器材料的建模以及光子动量标度/分辨率。其他贡献包括 $B_c^+$ 产生建模、衰变建模和背景形状参数化。
• 产额：总拟合信号产额为 $N_{B_c^*} = 163 \pm 19$（仅统计不确定度）。

工作意义
该论文声称，测得的 64.5 MeV 质量差与 $\bar{b}c$ 夸克偶素系统最低矢量态的一般理论预期一致，后者预测分裂在 50–70 MeV 范围内。该观测证实了 $B_c^*$ 介子的存在，该态此前由于其软衰变光子带来的实验挑战而难以捉摸。虽然测量值与广泛的理论预测一致，但作者指出，该值大于最近的精确晶格 QCD 计算所预测的值（后者预测值低于 60 MeV）。这一结果为完善重夸克束缚态动力学的理论模型提供了新的数据点。