[論文レビュー] Hunting down the X17 boson at the CERN SPS

E. Depero, Yuri Andreev+54 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、CERN SPSのNA64実験におけるX17ボソン探索のための新しい実験設定を提案している。X17ボソンは、8Beおよび4He核遷移における異常を説明できるとされる仮説的なプロトファビット性を持つベクトルボソンである。真空崩壊管を18 mに延長し、2%の精度でe+e−対のインバリアント質量を再構築するガストラッキング検出器を用いることで、信号の明確な同定が可能となる。研究では、約7×10¹¹同等のオンターゲット（EOT）ビーム時間で、90%信頼水準において全X17パラメータ空間（ε < 1.4×10⁻³）をカバーでき、バックグラウンドは0.01未満と推定される。

ABSTRACT

Recently, the ATOMKI experiment has reported new evidence for the excess of $e^+ e^-$ events with a mass $\sim$17 MeV in the nuclear transitions of $^4$He, that they previously observed in measurements with $^8$Be. These observations could be explained by the existence of a new vector $X17$ boson. So far, the search for the decay $X17 ightarrow e^+ e^-$ with the NA64 experiment at the CERN SPS gave negative results. Here, we present a new technique that could be implemented in NA64 aiming to improve the sensitivity and to cover the remaining $X17$ parameter space. If a signal-like event is detected, an unambiguous observation is achieved by reconstructing the invariant mass of the $X17$ decay with the proposed method. To reach this goal an optimization of the $X17$ production target, as well as an efficient and accurate reconstruction of two close decay tracks, is required. A dedicated analysis of the available experimental data making use of the trackers information is presented. This method provides independent confirmation of the NA64 published results [Phys. Rev. D101, 071101 (2020)], validating the tracking procedure. The detailed Monte Carlo study of the proposed setup and the background estimate shows that the goal of the proposed search is feasible.

研究の動機と目的

• 8Beおよび4He核遷移における異常を説明する仮説的なプロトファビット性を持つゲージボソンであるX17ボソンの探索を目的とする。
• 従来のNA64結果でまだ除外されていないX17ボソンの残りのパラメータ空間における感度の向上を目的とする。
• e+e−崩壊生成物からのX17インバリアント質量の高精度再構築により、信号の明確な同定手法を開発することを目的とする。
• 2018年の既存データを用いてトラッキング再構築手順の妥当性を検証し、過去のNA64結果の独立的裏付けを提供することを目的とする。
• 3か月間のビーム時間で想定される、全X17パラメータ空間（ε < 1.4×10⁻³）の探索可能性を示すこと。

提案手法

• X17 → e+e−崩壊からの2つの崩壊軌跡の十分な分離を可能にするために、崩壊真空管を12 mから18 mに延長する。
• 2台のガストラッキング検出器を用いて、磁場によって曲げられた2つの電子の軌跡を再構築し、その運動量を測定する。
• 電磁カロリメータでのエネルギー損失測定と運動量再構築を組み合わせることで、e+e−対のエネルギーを高精度に決定する。
• 予想されるX17質量（17 MeV）の10%のウインドウを適用し、2つの電磁シャワー間の最小8 cmの分離を要件とする。
• γパンチスラッグおよびK0Sの寄与を含む、検出器応答とバックグラウンド推定の詳細なモンテカルロシミュレーションを実施する。
• 2018年のNA64ビジブルモード走行データを用いて、トラッキング再構築効率の妥当性を検証し、新手法の実現可能性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の探索で除外されていないX17パラメータ空間（ε < 1.4×10⁻³）を、NA64実験が十分な感度でカバーできるか？
• RQ2 提案された18 mの真空管とガストラッカー系が、X17 → e+e−崩壊のインバリアント質量を2%の精度で解像でき、信号を明確に同定できるか？
• RQ3 新設定における期待されるバックグラウンドレベル（特にγパンチスラッグおよびK0S寄与）はどの程度で、0.01未満に抑えられるか？
• RQ4 2018年のデータ解析で用いられたトラッカー基盤の再構築手法は、NA64結果の独立的裏付けを提供でき、新手法の妥当性を検証できるか？
• RQ5 全X17パラメータ空間を90%信頼水準でカバーするには、どの程度のビーム時間（同等のオンターゲット）が必要か？

主な発見

• 18 mの真空管とガストラッカーを用いた提案された設定により、X17 → e+e−崩壊のインバリアント質量再構築が2%の精度で可能となる。
• バックグラウンドレベルは0.01未満と推定され、主にγパンチスラッグおよびK0Sに起因し、新設定で顕著な増加は予想されない。
• 2018年のデータに対するトラッカー基盤の解析により、全検討されたシナリオにおいてX17崩壊生成物の再構築効率がほぼ100%に近いことが確認された。
• 全X17パラメータ空間（ε < 1.4×10⁻³）を90%信頼水準でカバーするには、約7×10¹¹同等のオンターゲット（EOT）ビーム時間が必要である。
• V±Aカップリングを持つモデルは、許容されるカップリング定数が小さいため、10日未塔でカバー可能である。
• 2018年データの新解析は感度の大幅な向上には寄与しないが、トラッキング手順の独立的妥当性を示し、従来の設定の限界を浮き彫りにしている。