[論文レビュー] Search for low-mass Higgs and dark photons at BESIII

V. Prasad, Haibo Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、BESIIIが$J/\psi$および$\psi(3770)$の放射性崩壊を通じて低質量ヒッグスおよびダーク光子を探索するものであり、初期状態放射（ISR）と二電子(final state)を用いる。信号は観測されなかったが、$m_{A^0}$が0.212から3.0 GeV/$c^2$の範囲で、$\mathcal{B}(J/\psi\to\gamma A^0)\times\mathcal{B}(A^0\to\mu^+\mu^-)$の90%信頼水準（C.L.）上昇限界が$(2.8{-}386.5)\times10^{-8}$の範囲で設定され、従来の制限に比べて1桁の改善がなされた。

ABSTRACT

Many extensions of the Standard Model introduce a new type of weak-interacting degrees of freedom. These models are motivated by the results of recent experimental anomalies. Typical models, such as Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model and Light Hidden Dark-sector Model, introduce the possibilities of low-mass Higgs and dark bosons. The masses of such particles are expected to be few GeV and thus making them accessible at BESIII experiment, an $e^+e^-$ collider experiment running at tau-charm region. This report summarizes the recent results of low-mass Higgs and dark bosons searches at BESIII.

研究の動機と目的

• 標準模型の拡張（例：NMSSMや隠れたダークセクター模型）を動機として、BESIIIにおける$e^+e^-$衝突で低質量ヒッグス粒子（$A^0$）およびダーク光子（$\gamma'$）を探索すること。
• 数GeV未塔の質量を持つ弱く相互作用する新しい物理粒子を、$J/\psi$および$\psi(3770)$共鳴状態で探ること。
• これらの新しい粒子が標準模型フェルミオンに及ぼす結合の既存の除外限界を改善すること、特に$\mu^+\mu^-$最終状態において。
• このような粒子が最近の実験的異常を説明できる可能性がある、NMSSMや軽い隠れたダークセクター模型のパラメータ空間を制限すること。

提案手法

• $\sqrt{s} \approx m_{J/\psi}$および$m_{\psi(3770)}$における$e^+e^-$衝突で初期状態放射（ISR）を用い、仮想的$\gamma'$または$A^0$を生成する。
• 非ISR背景を抑制するため、ISR光子がEMC受容域外にあることを要件とするアンタグドISR光子法を適用する。
• 欠落した粒子の質量をゼロと仮定した1制約（1C）運動論的フィットを実施し、二電子系のインヴァリアント質量分解能を向上させる。
• $J/\psi\to\mu^+\mu^-$、$\rho$、$f_2(1270)$、$f_0(1710)$、$f_4(2050)$共鳴状態を含む、カクテルモンテカルロ標本を用いて背景をモデル化する。
• システムティック不確実性をガウススムージングで畳み込み、90%信頼水準における上限を設定するための負の対数尤度（NLL）スキャンを実施する。
• ビーム関連背景を抑制するため、粒子識別（PID）カットおよび空間的制約（ビーム方向10 cm、横方向1 cm以内）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.212～3.0 GeV/$c^2$の質量範囲における低質量CP反対称ヒッグス粒子$A^0$について、$\mathcal{B}(J/\psi\to\gamma A^0)\times\mathcal{B}(A^0\to\mu^+\mu^-)$の除外限界は何か？
• RQ2 BESIIIの結果は、BABAR、CLEO、CMSが得た過去の限界に比べて、低質量ヒッグスおよびダーク光子探索においてどのように改善されているか？
• RQ3 $\psi(3770)$データにおいて、$e^+e^-\to\gamma_{\rm ISR}\gamma'$に続く$\gamma'\to\mu^+\mu^-$によるダーク光子生成に対するBESIIIの感度はどの程度か？
• RQ4 観測された限界は、NMSSMや軽い隠れたダークセクター模型のパラメータ空間をどの程度制限するか？
• RQ5 特に再構成効率、エネルギー分解能、PIDのシステムティック不確実性が、最終的な上限決定にどのように影響するか？

主な発見

• 低質量ヒッグスおよびダーク光子探索の両方において、二ミュオンインヴァリアント質量スペクトルに狭い共鳴状態の証拠は観測されなかった。
• 90% C.L.における$\mathcal{B}(J/\psi\to\gamma A^0)\times\mathcal{B}(A^0\to\mu^+\mu^-)$の上限は、$m_{A^0}$が0.212から3.0 GeV/$c^2$の範囲で$2.8\times10^{-8}$から$386.5\times10^{-8}$の間で変動し、1.0 GeV/$c^2$付近で最高の感度を示した。
• BESIIIの新しい上限は、特に1～2 GeV/$c^2$領域で、従来の測定に比べて約1桁の改善がなされた。
• システムティック不確実性は慎重に評価され、加法的不確実性は0.502～0.767イベント、乗法的不確実性は5.95%～8.96%の範囲で、$m_{A^0}$に依存して変動した。
• ミュオンPIDの不確実性は4.0～5.73%と推定され、制御サンプルを用いて光子検出効率の不確実性は1%未満であると測定された。
• 結果は予備的であり、全データサンプルに一致するカクテルモンテカルロ標本に基づいているが、全$J/\psi$データセットのアンブリンキングは保留中である。