Désintégration électromagnétique J/ψ → μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ – La science du Francis Mule

Les désintégrations des mésons en quatre leptons sont généralement médiées par deux photons (comme dans le cas des mésons quasi-scalaires π⁰ et η). L’exception se produit lorsque la symétrie discrète de conjugaison de charges (C) des interactions fortes et électromagnétiques les interdit ; Dans ce cas, comme pour le harmonique J/ψ, seules des désintégrations médiées par un photon unique sont observées, qui ont une très faible probabilité. En mars 2024, le détecteur chinois BESIII a publié l’observation des désintégrations en quatre électrons J/ψ→e⁺e⁻e⁺e⁻, et en deux électrons et deux muons J/ψ→e⁺e⁻μ⁺μ⁻ ; mais il n’a pas réussi à observer la désintégration en quatre muons J/ψ→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻, environ dix fois moins probable. En 2024, CMS et LHCb ont réussi à l’observer à plus de cinq sigma en utilisant des collisions proton-proton à 13 TeV cm de la deuxième exploitation du LHC. Plus précisément, CMS, après avoir analysé 33,6 fb⁻¹ de collisions de 2018, a estimé une désintégration fraction (rapport de ramification) de BR(J/ψ→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻) = (1,01 ± 0,30) × 10⁻⁶, tandis que LHCb après analyse de 5,4 fb⁻¹ de collisions entre 2016 et 2018 a obtenu (1,13 ± 0,11) × 10 ⁻⁶, tous deux en bon accord avec la prédiction du modèle standard (9,74 ± 0,05) × 10⁻⁷ (qui est basée sur l’électrodynamique quantique, QED). La physique des particules de précision, qui explore les désintégrations à très faible probabilité, pourrait révéler de petits écarts par rapport au modèle standard en raison de nouvelles interactions ou de nouvelles particules. Cela n’a pas été le cas.

Je voudrais souligner l’utilité de combiner les résultats de différents détecteurs, en l’occurrence BESIII, CMS et LHCb. Dans BESIII, il est plus facile de détecter les électrons que les muons, tandis que pour CMS et LHCb, il est plus facile de détecter les muons que les électrons. Ainsi pour étudier la désintégration du méson J/ψ en quatre leptons, la synergie entre ces trois détecteurs est idéale. Le méson J/ψ est un harmonique formé d’une paire de quarks et d’un antiquark de valence de type charme (charme); Ses nombres quantiques sont J^PC = 1⁻⁻alors c’est un méson vectoriel de spin total J = 1 (somme des spins de ses quarks), impair à la fois pour la parité P = −1 et pour la conjugaison de charges C = −1. Le photon est un boson vectoriel avec les mêmes nombres quantiques, J^PC = 1⁻⁻. Par conséquent, le méson J/ψ ne peut pas se désintégrer en deux photons, puisque la conjugaison de charges ne serait pas conservée (pour deux photons, ce serait (−1)(−1) = +1, au lieu de −1 pour un seul photon). ). Ainsi, la désintégration du méson J/ψ en deux muons est médiée par un photon (γ) et sa désintégration en quatre muons nécessite un photon virtuel supplémentaire (γ*) (qui pourrait également être un boson Z virtuel (Z*) comme illustré le diagramme de Feynman dans la figure). C’est la raison pour laquelle ces désintégrations sont très improbables.

Ces résultats ont retenu mon attention pour deux raisons. D’une part, parce qu’ils mettent en évidence la nécessité de réaliser des tests de précision QED (dans ce cas, des violations de la symétrie CP sont recherchées). Et d’autre part, parce que l’article de BESIII est paru sur arXiv en septembre 2021, mais n’a été publié dans Physical Review D qu’en mars 2024 (l’article de CMS est paru dans la même revue en juin 2024) ; Un délai aussi long dans l’évaluation par les pairs n’est pas courant pour les articles issus de grandes collaborations en physique des particules. Les articles proviennent de la collaboration LHCb, « Étude de la désintégration rare J/ψ→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ », arXiv : 2408.16646. [hep-ex] (29 août 2024), est ce que je: https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.16646; Collaboration CMS, « Observation de la désintégration J/ψ → μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ dans les collisions proton-proton à √s = 13 TeV », Physical Review D 109 : L111101 (06 juin 2024), doi : https://doi.org/10.1103/PhysRevD.109.L111101, arXiv:2403.11352 [hep-ex] (17 mars 2024) ; y Collaboration BESIII, « Observation des désintégrations J/ψ en e⁺e⁻e⁺e⁻ et e⁺e⁻μ⁺μ⁻ », Physical Review D 109 : 052006 (18 mars 2024), doi : https://doi.org/10.1103/PhysRevD.109.052006, arXiv:2111.13881 [hep-ex] (27 novembre 2021).

Comme c’est généralement le cas, le résultat le plus récent est celui qui atteint la plus grande signification statistique et, par conséquent, celui qui est le plus informatif (et le plus facile à comprendre pour les profanes). Ici, le résultat de LHCb est présenté pour les deux modes de production étudiés. Comme son nom l’indique, LHCb (Expérience de beauté au Grand collisionneur de hadrons) est spécialisé dans l’étude des mésons beau (avec quark b, bas ou beauté). Par conséquent, les mésons J/ψ peuvent être produits directement (rapide), à côté de belles auberges, partie gauche de la figure, ou indirectement (secondaire), résultant de la désintégration du quark a b, partie droite de la figure. Dans les deux cas, l’excédent (bosse) associée à la désintégration J/ψ→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ est vue avec une définition extrême (grâce au fait que la masse invariante associée aux quatre muons est utilisée sur l’axe horizontal).

Cette figure montre la sortie de CMS (à gauche). Il est également informatif, car il dépasse sept sigmas (écarts types). À droite, il est comparé au résultat des désintégrations en dimuons, J/ψ→μ⁺μ⁻. Sur ces figures, les incertitudes des données expérimentales sont représentées par des lignes verticales qui accompagnent les points noirs. Ces deux figures permettent de comparer la grande différence entre les incertitudes pour une désintégration très improbable (rare), dont seulement des dizaines d’événements sont observés (à gauche) avec ceux d’un très probable, dont quelques millions d’événements sont observés.

Cette figure montre le résultat BESIII négatif pour J/ψ→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ (en bas à gauche) ; aucun signal significatif n’est observé, alors seule une limite supérieure pour la fraction de désintégration peut être obtenue (en bas à droite). Sont également inclus les résultats pour J/ψ→e⁺e⁻e⁺e⁻ (en haut à gauche) et pour J/ψ→e⁺e⁻μ⁺μ⁻ (en haut à droite), qui dépassent cinq sigma.