Die LHCb Collaboration hat kürzlich die erste Beobachtung des Zerfalls des Bc+-Mesons (bestehend aus zwei schweren Quarks, b und c) in einen J/ψ-Charm-Anticharm-Quark-gebundenen Zustand und ein Pionenpaar (π+π0) gemeldet. Der Zerfallsprozess zeigt den Beitrag eines Zwischenteilchens – einem ρ+-Meson, das für einen kurzen Moment entsteht und dann in das π+π0-Paar zerfällt.
Das Bc+-Meson ist das schwerste Meson, das nur durch schwache Wechselwirkungen zerfallen kann: durch den Zerfall eines schweren Quarks als Bestandteil. Die Zerfallsprozesse von Bc+-Mesonen in eine ungerade Anzahl leichter Hadronen und ein J/ψ (oder andere Charm-Anticharm-Quark-gebundene Zustände, die als “Charmonia” bezeichnet werden) sind intensiv untersucht worden und zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen.
Der Zerfall von Bc+-Meson in ein J/ψ und ein π+π0-Paar ist der einfachste Zerfall in Charmonium und eine gerade Anzahl leichter Hadronen. Er wurde noch nie beobachtet, vor allem weil die präzise Rekonstruktion des energiearmen π0-Mesons durch seinen Zerfall in ein Photonenpaar in einer LHC-Proton-Proton-Kollisionsumgebung eine große Herausforderung darstellt.
Eine präzise Messung des Bc+→J/ψπ+π0-Zerfalls wird ein besseres Verständnis seines möglichen Beitrags als Hintergrundquelle für die Untersuchung anderer Zerfallsprozesse von Bc-Mesonen sowie seltener Zerfallsprozesse von B0-Mesonen ermöglichen. Aus theoretischer Sicht sind die Zerfallsprozesse von Bc in J/ψ und eine gerade Anzahl von Pionen eng mit den Zerfallsprozessen des τ-Leptons in eine gerade Anzahl von Pionen und mit der e+e–-Auslöschung in eine gerade Anzahl von Pionen verbunden. Genaue Messungen der e+e–-Auslöschung in zwei Pionen im ρ-Massenbereich (wie beim hier diskutierten Bc-Zerfall) sind für die Interpretation der Ergebnisse des Fermilab g-2-Experiments zur Messung des anomalen magnetischen Dipolmoments des Myons von entscheidender Bedeutung, da die energiearme e+e–-Zerstrahlung in Hadronen eine wichtige Quelle für die Unsicherheit der g-2-Messungen ist.
Das Verhältnis der Wahrscheinlichkeit des neuen Zerfalls zu der des Zerfalls von Bc+ in J/ψπ+ wurde in den letzten 30 Jahren von verschiedenen Theoretikern berechnet. Jetzt können diese Vorhersagen endlich mit einer experimentellen Messung verglichen werden: Die meisten Vorhersagen stimmen mit dem neuen Ergebnis des LHCb-Experiments überein: 2,80±0,15±0,11±0,16.
Die große Anzahl der in den LHC-Kollisionen erzeugten b-Quarks und der hervorragende Detektor ermöglichen es dem LHCb-Experiment, die Produktion, die Zerfallsprozesse und andere Eigenschaften des Bc+-Mesons detailliert zu untersuchen. Seit der Entdeckung des Mesons durch das CDF-Experiment am Tevatron-Beschleuniger wurden 18 neue Bc+-Zerfallsprozesse mit mehr als fünf Standardabweichungen beobachtet, alle vom LHCb-Experiment.
(THK)
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