[論文レビュー] A possible interpretation for $X(6900)$ observed in four-muon final state by LHCb -- A light Higgs-like boson?

Jian-Wen Zhu, Xing-Dao Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、LHCbが観測した6.9 GeVにおける$X(6900)$共鳴状態が、四クォーク状態ではなく、$0^{++}$量子数を有する基本的BSMヒッグスに類似したボソンであると提唱する。有効場理論の枠組みを用いて、グルーオンおよび charm クォークへの結合をモデル化し、予測される$pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$断面積（約10 pb）とインバリアント質量分布が実験データと一致することを示し、10 GeV未満の新しい物理スケールの存在を支持する。

ABSTRACT

A peak structure of $J/ψ$ pair production around $6.9~{ m GeV}$ was observed and analyzed by the LHCb collaboration using the Run I and II data of LHC. How to understand this peak arouses enthusiastic discussions among both theorists and experimentalists of high energy physics, because this discovery might hint something new. Overwhelming works on this topic tend to attribute the peak as a four-quark state: tetraquark or molecule. Instead, we suggest that this peak is corresponding to a fundamental Higgs-like boson with mass about $6.9~{ m GeV}$ which is advocated by a BSM effective theory. We present a detailed analysis on both signal and SM background, including integrated cross sections and invariant mass distributions of the final-state $J/ψ$ pair. Our numerical results are well in coincidence with the experimental data, as postulating the resonance observed by LHCb to be a BSM $0^{++}$ scalar. Therefore, the peak at $M_{ ext{di-}J/ψ} \sim 6.9~{ m GeV}$ might be a hint of new physics beyond the SM whose scale is not as large as mostly expected by high energy physicists. More further works are urgently needed in both experimental and theoretical aspects to validate or negate this assumption.

研究の動機と目的

• LHCbが$J/\psi$対の最終状態で観測した$X(6900)$共鳴状態の代替解釈を検討すること。
• 主流の四クォーク状態または分子状態の解釈に挑戦し、基本的BSMヒッグスに類似したスカラー粒子を提唱すること。
• $0^{++}$ヒッグスに類似したボソンが質量約6.9 GeVで、観測された$pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$断面積およびインバリアント質量分布を説明できるかどうかを検証すること。
• LHCランIおよびIIの実験データを用いて、そのようなBSMヒッグスに類似したボソンのパラメータ空間を制約すること。
• $X(6900)$共鳴状態が低スケール新物理へのポータルである可能性を示唆し、さらなる実験的および理論的検討を促すこと。

提案手法

• 質量$m_X = 6.886$ GeVを有する新しい$0^{++}$スカラー粒子$X(6900)$を導入する有効場理論の枠組みを採用する。
• 結合定数$g_{ggX}$および$g_{c\bar{c}X}$が標準模型ヒッグスボソンと同様に振る舞うと仮定し、ベンチマーク値として$g_{ggX} = 0.06$、$g_{c\bar{c}X} = 0.18$を採用する。
• $\sqrt{s} = 7$、$8$、および$13$ TeVにおける$pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$の全断面積を、SMバックグラウンドと$X(6900)$信号の干渉を含む行列要素を用いて計算する。
• 断面積の二乗において、SM振幅と$X(6900)$振幅の干渉効果を含め、信号の純度を評価する。
• LHCb解析に一致させるために、実験的フィジカル領域カットを適用：$p_T^{J/\psi} < 10.0$ GeV、$2.0 < y_{J/\psi} < 4.5$。
• 理論的予測をLHCbの統合断面積およびインバリアント質量分布のデータと比較し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6.9 GeVにおける$X(6900)$共鳴状態は、四クォーク状態ではなく、基本的BSMヒッグスに類似したスカラー粒子として解釈可能か？
• RQ2 $0^{++}$スカラーがグルーオンおよび charm クォークと結合するのに必要な結合強度は何か？ これにより、観測された$pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$断面積を再現できるか？
• RQ3 インバリアント質量分布におけるSMバックグラウンドと$X(6900)$信号の干渉はどの程度顕著か？
• RQ4 $X(6900)$信号の予測断面積は、現在のLHCの統計的感度で測定可能か？
• RQ5 LHCbのデータが、そのようなBSMヒッグスに類似したボソンのパラメータ空間に課す制約は何か？

主な発見

• 13 TeVでの$pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$への$X(6900)$共鳴状態による全断面積は、$\sqrt{s} = 13$ TeVで約105.36 fbであり、実験データと整合的である。
• $\sqrt{s} = 13$ TeVにおける統合断面積は、干渉を含めると$\sigma_{\hat{S}} = 98.39$ fb、$\sigma_S = 105.36$ fbとなり、観測信号と良好に一致する。
• SMバックグラウンドと$X(6900)$信号の干渉は、信号寄与よりもはるかに小さいことが判明し、共鳴ピークが洗練されないままであることが示唆される。
• $g_{ggX}$および$g_{c\bar{c}X}$のパラメータ空間は実験によって制約され、図2の黒線で囲まれた領域のみが許容される。
• モデルは、$\sqrt{s} = 7$、$8$、および$13$ TeVで$\mathcal{O}(10~\text{pb})$の信号断面積を予測しており、現在のLHC検出器の性能範囲内にある。
• 信号とバックグラウンドを含む$J/\psi$対のインバリアント質量分布は、LHCbのデータとよく一致しており、$0^{++}$ヒッグスに類似したボソンの仮説を支持する。