[論文レビュー] First indications of the existence of a 38 MeV light scalar boson

Eef van Beveren, George Rupp|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

論文は、クォーカー対生成を ${}^{3\!}P_0$ 機序で媒介するとされる38 MeVの軽いスカラー・ボソン、E(38)の最初の兆候を提示している。この粒子はQCDにおけるクォークの閉じ込めと関連している。BABAR実験のレプティックなボトミウム崩壊データの分析から、約38 MeVで $e^+e^-$ および $\mu^+\mu^-$ の不変質量分布に一貫した過剰信号が観測され、76 MeVおよび114 MeVでも信号が観測されており、これは共鳴状態およびそのレプリカを示唆しており、軽いスカラー・グルーオンボールの可能性がある。

ABSTRACT

We present evidence for the existence of a light scalar particle that most probably couples exclusively to gluons and quarks. Theoretical and phenomenological arguments are presented to support the existence of a light scalar boson for confinement and quark-pair creation. Previously observed interference effects allow to set a narrow window for the scalar's mass and also for its flavor-mass-dependent coupling to quarks. Here, in order to find a direct signal indicating its production, we study published BABAR data on leptonic bottomonium decays. We observe a clear excess signal in the invariant-mass projections of electron-positron and muon-antimuon, which may be due to the emission of a so far unobserved scalar particle with a mass of about 38 MeV. In the process of our analysis, we also find an indication of the existence of a bottomonium-like hybrid state at about 10.061 GeV. Further signals might be interpreted as replicas of the light scalar, with masses roughly two and three times as large.

研究の動機と目的

• ハドロン崩壊においてクォーカー対生成を媒介する軽いスカラー・ボソンの存在を調査すること。
• 既存のボトミウム崩壊に関するBABARデータから、質量が約38 MeVのスカラー粒子の実験的シグネチャーを同定すること。
• 観測された $e^+e^-$ および $\mu^+\mu^-$ 不変質量スペクトルにおける過剰信号が、閉じ込めに関連する新しいスカラー粒子に起因するという仮説を検証すること。
• 38 MeV状態のレプリカが76 MeVおよび114 MeVに存在する可能性を検討し、スカラー場の振動の動的モデルと整合するかを検討すること。
• ${}^{3\!}P_0$ クォーカー対生成モデルとハドロンスペクトルにおける観測された異常との間の素的な接続を提供すること。

提案手法

• BABARが公開した $e^+e^- \to \pi^+\pi^- \Upsilon(1,2\,{}^{3\!}S_1) \to \pi^+\pi^- e^+e^-$ および $\pi^+\pi^- \mu^+\mu^-$ の過程に関するデータの分析。
• $e^+e^-$ および $\mu^+\mu^-$ 終状態の不変質量投影を用いて、異常な増強を探索すること。
• $SO(4,2)$ 対称性を有する共形的対称モデル（自発的破れで $SO(3,2)$ に）の理論的予測と観測信号を比較すること。
• ${}^{3\!}P_0$ クォーカー対生成モデルを用いて、フレーバーに依存しない質量スケール $M \approx 30-40$ MeV を推定し、観測された38 MeV信号と整合すること。
• $e^+e^-$ および $\mu^+\mu^-$ スペクトルにおける干渉効果および欠落データパターンを、質量が約38 MeVのスカラー粒子の証拠として解釈すること。
• 同じデータセット内で、約10.061 GeVに $b\bar{b}g$ ハイブリッド状態が二次的シグナルとして特定されること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボトミウム崩壊の $e^+e^-$ および $\mu^+\mu^-$ 終状態の不変質量スペクトルに、質量が約38 MeVの新しい軽いスカラー・ボソンの証拠はあるか？
• RQ2 $\pi^+\pi^- \Upsilon(1\,{}^{3\!}S_1)$ 崩壊における観測された過剰は、質量が約38 MeVのスカラー粒子の放出によって説明できるか？
• RQ3 76 MeVおよび114 MeVの信号は、スカラー場の振動の動的モデルが予測する38 MeV状態の共鳴的レプリカであるとみなせるか？
• RQ4 38 MeVの粒子は、スカラー・グルーオンボールまたはQCDにおける閉じ込めの動的実現と整合するか？
• RQ5 約10.061 GeVに観測された $b\bar{b}g$ ハイブリッド状態は、同じデータセット内で明確な共鳴状態として確認できるか？

主な発見

• $e^+e^- \to \pi^+\pi^- \Upsilon(1\,{}^{3\!}S_1) \to \pi^+\pi^- e^+e^-$ の $e^+e^-$ 不変質量分布において、約38 MeVで明確な過剰信号が観測された。
• 同じ過程の $\mu^+\mu^-$ 不変質量分布においても、同様の過剰信号が観測され、ピークは約38 MeVで一致した。
• 76 MeVおよび114 MeVの信号が複数のチャンネルで観測され、38 MeV状態のレプリカと整合的であり、調和的構造を示唆した。
• 38 MeVの信号は、共形的対称モデルを介した閉じ込めに関連する軽いスカラー・グルーオンボールの候補であると解釈され、$E(38)$ と表記された。
• 10.061 GeVに $b\bar{b}g$ ハイブリッド状態が示唆され、同じデータセットに基づく有意水準は最大で2$\sigma$であった。
• アンチレーション、干渉、$\mu^+\mu^-$、$e^+e^-$ の4つの独立したデータセットにおいて信号が一貫しており、ランダムな揺らぎである可能性は極めて低い。