[論文レビュー] Physical interpretation of the anomalous Cherenkov rings observed with the DELPHI detector

V. Perepelitsa, T. Ekelöf+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、DELPHI RICH検出器で観測された異常なチェレンコフリングが、超光速のタキオン由来である可能性を提案している。リングの半径が超相対論的粒子のものよりも大きいという特徴を示すが、液体および気体の放射体を用いた運動量制約とリング半径の運動論的フィッティングにより、0.29±0.01 GeV/c²および4.6±0.2 GeV/c²の二つの明確なタキオン質量ピークが同定された。液体と気体の放射体間で測定結果に強い一貫性が示されたことから、背景起源ではなく物理的起源である可能性が支持される。

ABSTRACT

The results of a search with the DELPHI Barrel RICH for anomalous Cherenkov rings having radii greater than those produced by ultrarelativistic particles were reported in our previous paper [1]. The search was based on the data collected by the DELPHI Collaboration at CERN during the LEP1 and LEP2 periods. A detailed study of background sources capable of producing apparently anomalous rings has been done; it indicated that the background hypothesis has a low probability ($10^{-3}$ or less). An additional strong argument against the background hypothesis was provided by the observation of a high degree of correlation between anomalous ring radii in the liquid and gaseous radiators in the selected events.The results obtained are interpreted in this paper in terms of observation of faster-than-light particles (tachyons). In the framework of this interpretation two peaks in the tachyon mass parameter distribution are observed, at $(0.29 \pm 0.01)$~GeV/c$^2$ and $(4.6 \pm 0.2)$~GeV/c$^2$. This work has been performed by the authors following the rules for external access to the DELPHI archived data, as established in http://delphiwww.cern.ch/delsec/finalrules/FINALrules011203.pdf The opinions, findings and conclusions expressed in this material are those of the authors alone and do not reflect in any way the views of the DELPHI Collaboration.

研究の動機と目的

• DELPHIバーレルRICH検出器で観測された異常なチェレンコフリングの物理的起源を調査すること。特に、超相対論的粒子が予測する半径を上回る半径を示す点に注目する。
• これらのリングが背景源由来である可能性を除外すること。背景由来の可能性は10⁻³未満であり、放射体タイプ間で一貫性がないことから、偶然的または機器由来の要因である可能性は低い。
• リングが、特定の慣性系における相対論的因果律を満たす超光速粒子（タキオン）由来であるという仮説を検討すること。
• 液体および気体の両方の放射体を用いた、リング半径と運動量測定値の運動論的フィッティングを通じて、タキオンの質量パラメータ分布を同定すること。
• 二つの放射体間のリング半径の相関解析を通じて、タキオン解釈の妥当性を検証すること。この解析により、強い一貫性が確認された。

提案手法

• エネルギー・運動量保存則とタキオンのチェレンコフ角関係を満たす制約式を用いて、異常リングを示すイベントの運動論的フィッティングを実施する。
• タキオンのチェレンコフ公式 cosθc = 1/(nβ) を適用し、β > 1 を満たすタキオンに対して、リング半径と速度・屈折率の関係を確立する。
• 液体のC₆F₁₄（n=1.273）と気体のC₅F₁₂（n=1.00194）の二種類の放射体を用い、リング半径測定値の相互検証を実施し、系統的バイアスの低減を図る。
• フィッティング手順に3つのトポロジー（1a、1b、2）を組み込み、それぞれがタキオンの運動量、エネルギー、およびISR光子寄与を含む異なる運動論的制約を課す。
• dE/dx測定値とフェルミプラトー補正を用いて、タキオンの速度とタキオン仮説との整合性を評価する。
• 未知数（タキオン質量パラメータμ、エネルギー、運動量）を求めるために、制約式（A1.1–A1.7、A2.1–A2.6、A3.1–A3.2）を用い、運動量およびエネルギー保存則を強制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異常なチェレンコフリング（超相対論的粒子のものよりも大きな半径を示す）は、DELPHI検出器に存在する既知の背景源によって説明可能か？
• RQ2 液体および気体の放射体間で観測されたリング半径の相関は、ランダムな背景フラクチュエーションを除外する物理的根拠となるか？
• RQ3 イベントの運動論的制約は、特定の質量パラメータを持つ超光速粒子（タキオン）の存在を支持するか？
• RQ4 両方の放射体で一貫したフィッティングが得られた場合、異常リングを引き起こすタキオンの推定質量パラメータは何か？
• RQ5 タキオン解釈は、特定の慣性系における相対論的因果律およびエネルギー・運動量保存則を満たしているか？

主な発見

• 異常リングの背景由来仮説の確率は10⁻³以下であり、これは偶然的または機器由来の起源である可能性が極めて低いことを示している。
• 液体および気体の放射体間で異常リング半径に高い相関が観測されたことから、背景フラクチュエーションではなく、物理的起源である可能性が強く支持される。
• タキオン質量パラメータ分布には、0.29±0.01 GeV/c²および4.6±0.2 GeV/c²の二つの明確なピークが観測され、二つのタキオン集団が存在する可能性を示唆している。
• 運動論的フィッティング手順により、チェレンコフリング半径と運動量測定値を用いて、タキオンの運動量、エネルギー、質量パラメータが適切に制約された。
• 二つの放射体および複数のイベントトポロジーにわたる結果の一貫性から、代替説よりもタキオン仮説が強く支持される。
• 著者らは、観測データが最も妥当にタキオンの証拠として解釈されると結論づけるが、明確にDELPHI共同研究チームの見解を反映しているわけではないと述べている。