La collaboration Beijing Spectrometer III (BESIII), une grande équipe de chercheurs d'universités du monde entier menant des études de physique des particules a récemment rapporté la première observation de la désintégration leptonique D+→τ+ντ. Ce constat, présenté dans un article publié dans Lettres d'examen physique , ouvre la possibilité de tests supplémentaires d'universalité mu/tau dans les désintégrations D.

Avant cette étude, il n'y avait qu'un seul résultat expérimental lié à la même désintégration leptonique, réunis par un autre groupe de chercheurs connu sous le nom de collaboration CLEO. La collaboration CLEO, cependant, n'a pas observé de signal pour D+→τ+ντ et a simplement pu fixer une limite supérieure, ce qui n'était que 20 pour cent plus grand que la prédiction du modèle standard pour le taux de cette décroissance. Dans leur récente étude, la collaboration BESIII a entrepris d'étudier plus avant cette désintégration, en espérant que leur large échantillon de données permettrait de nouvelles découvertes.

"Nous avons reconnu qu'un résultat nul serait tout aussi (ou plus) excitant, car cela pourrait révéler une nouvelle physique au-delà du modèle standard, " Dr Hailong Ma, co-animateur du groupe de charme BESIII, dit Phys.org. « Il y avait des défis majeurs, cependant, et même avec environ 3,6 fois l'échantillon de données de CLEO, nous savions que nous aurions besoin d'une meilleure compréhension des processus de fond et d'un contrôle de la systématique expérimentale."

Les annihilations électron-positon dans le collisionneur électron-positon BEPCII utilisé par Ma et ses collègues à l'énergie de la résonance psi (3770) produisent des échantillons vierges d'événements, chacun avec un seul méson D+ et un seul D-. Les chercheurs ont sélectionné des événements dans lesquels le D- a été entièrement reconstruit et ont testé si le reste des événements était cohérent avec D+→τ+ντ, qui ne contribue qu'à une seule particule chargée.

« Même pour ce simple signal dans l'environnement propre de BESIII, il existe des processus d'arrière-plan à haut débit qui peuvent submerger le signal, " Dr Hajime Muramatsu, un chercheur de l'Université du Minnesota qui a dirigé l'étude, dit Phys.org. "En supprimant les deux plus grands d'entre eux, J+ -> pi+ pi0 et D+ -> pi+K_L, était notre plus grande préoccupation dans la conception de notre mesure. Ces processus peuvent être confondus avec notre signal lorsqu'ils sont reconstruits de manière incomplète ou incorrecte et pour notre analyse, nous avons proposé deux nouveaux outils pour la suppression de l'arrière-plan."

L'un des deux outils de suppression de l'arrière-plan mis au point par la collaboration BESIII consiste à éliminer les événements dans lesquels l'impulsion manquante pointe à l'extérieur du détecteur actif afin d'éviter de confondre les particules qui s'échappent avec des neutrinos indétectables. La quantité de mouvement manquante est calculée à partir des propriétés de l'électron et du positon annihilants, ainsi que les particules à l'état final détectées.

Le deuxième outil conçu par les chercheurs, d'autre part, fonctionne en rejetant les événements de fond en fonction des dépôts d'énergie supplémentaires qu'ils peuvent produire dans le calorimètre électromagnétique de leur détecteur. Cette exigence particulière accepte efficacement les événements de signal, pour lesquels les seules particules supplémentaires sont des neutrinos qui pénètrent dans le détecteur sans laisser de trace.

L'observation par la collaboration BESIII de la désintégration leptonique D+→τ+ντ comble une lacune importante dans le modèle standard de la physique des particules, permettant de nouveaux tests du modèle. Une caractéristique clé du modèle standard est « l'universalité des leptons, " qui exige que l'électron, muon et tau se comportent presque de manière identique dans toutes les interactions.

"Des mesures récentes des désintégrations des mésons B suggèrent une possible violation de l'universalité des leptons, rendant encore plus intéressant de réaliser des tests sur les mésons charmés D et Ds, " Pr Ron Poling, un chercheur de l'Université du Minnesota impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Il y a beaucoup de résultats sur Ds+ -> tau+ nu qui sont quelque peu dispersés mais largement cohérents avec la prédiction du modèle standard. Parce que D+ -> tau+ nu n'avait jamais été vu auparavant, notre étude offre la première opportunité de tester l'universalité mu/tau dans les désintégrations de D."

L'étude récente de la collaboration BESIII démontre que le taux de désintégration leptonique D+→τ+ντ est conforme aux attentes théoriques dans les limites de l'incertitude expérimentale, renforçant ainsi la confiance dans le modèle standard. La première mesure de D+→τ+ντ qu'ils ont collectée, basé sur ~3/fb e+e- données d'annihilation, est statistiquement limité (c'est-à-dire avec une incertitude statistique relative de 20 % sur le taux de désintégration et le test d'universalité des leptons). À l'avenir, des ensembles de données plus importants et des statistiques supplémentaires pourraient ouvrir la voie à des mesures plus spécifiques.

"BEPCII et BESIII prévoient de prendre plus de données dans un avenir proche et de mettre à niveau les capacités des accélérateurs et des détecteurs, " Professeur Changzheng Yuan, porte-parole de BESIII, dit Phys.org. "Nous avons proposé de collecter 20/fb de données psi (3770) à l'avenir, réduire l'erreur statistique relative pour le D+ -> mesure tau+ nu à moins de 8 pour cent. BESIII utilisera également cela et de grands échantillons de données à d'autres énergies pour affiner notre compréhension des désintégrations similaires du méson Ds et pour étendre de nombreuses autres enquêtes sur les mésons charmés, baryons charmés et autres états."

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