[論文レビュー] X(16.7) Production in Electron-Position Collision

Jun Jiang, Long-Bin Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、$^8$Be核遷移異常を説明する可能性がある仮想のスピン1ゲージボソン $X(16.7)$ を検出するための2つの実験的トラップ—$e^+e^- \to X\gamma$ および $J/\psi \to X\gamma$—を提案する。'ベクトルから軸性ベクトルを引く'相互作用モデルを用いて、わずかなイベント数（52イベント）にもかかわらず、SNR ≈ 7.2という良好な信号対雑音比を得た。この結果から、BESIIIはこの標準模型を超える新しい物理学を探索する上で有効であると示唆される。

ABSTRACT

The anomaly found in the excited $^8 ext{Be}$ nuclear transition to its ground state is attributed to a spin-1 gauge boson $X(16.7)$. To hunt for this boson, we propose two traps: $e^+e^- o Xγ$ and $J/ψ o Xγ$, both following with $X o e^+e^-$ decay. We adopt the "vector minus axial-vector" interaction hypothesis. Analysis on the $X(16.7)$ decay length, production rates, differential distribution with respect to the $e^+e^-$ invariant-mass spectrum, and the signal-to-noise ratios (SNR) after the smearing at BESIII detector are discussed in detail. Given the coupling strength of $X$ to vector/axial-vector currents $g_f^{v/a}\sim10^{-3}$ at BESIII: (1) there would be about $6000$ $X$ measurable events per year in electron-positron collision, yet with a large background after smearing, (2) while in $J/ψ$ decays, we find that the axial-vector current may come into play, though merely 52 events may appear, the SNR are inspiring even after smearing.

研究の動機と目的

• 仮想のスピン1ゲージボソン $X(16.7)$ の検出可能性を調査すること。このボソンは、$^8$Be核遷移異常を説明するために提案されている。
• 生産メカニズムとして $e^+e^- \to X\gamma$ および $J/\psi \to X\gamma$ を評価し、その後に $X \to e^+e^-$ 衰えが起こることを検討すること。
• BESIIIにおける実際の実験的条件を踏まえ、検出器のスミアリング効果を考慮した信号対雑音比（SNR）とバックグラウンド抑制の評価を行うこと。
• $J/\psi$ 衰えにおいて、ベクトルおよび軸性ベクトルカレントの $X$ ボソン生成に与える寄与の相対的寄与度を特定すること。
• 今後のBESIIIおよび他の $e^+e^-$ コライダーでの実験的探索のための素性的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 'ベクトルから軸性ベクトルを引く'相互作用頂点を、異常自由なUV完備性およびアイソベクター遷移の抑制を理由に採用する。
• 有効場理論を用いて、$e^+e^- \to X\gamma$ の微分断面積および $J/\psi \to X\gamma$、$X \to e^+e^-$ の崩壊幅を計算する。
• $X(16.7)$ ボソンの実験フレームにおける崩壊長を推定し、カップリング定数 $g_e^{v/a} \sim 10^{-4} \sim 10^{-3}$ の範囲で $0.27~\text{mm} < L < 27~\text{mm}$ の範囲にあることを発見した。
• 検出器エネルギー分解能の影響を再現するため、$e^+e^-$ 二体質量スペクトルにモンテカルロ風のスミアリングを施す。
• $\text{SNR} = S / \sqrt{S + B}$ を用いて信号対雑音比（SNR）を計算し、$S$ は信号、$B$ は選択された質量窓内のバックグラウンドである。
• $e^+e^-$ および $J/\psi$ プロセスにおける $e^+e^-$ 対生成のバックグラウンド寄与を、異なる二体質量範囲を考慮して分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BESIIIで $e^+e^- \to X\gamma$ を経て $X \to e^+e^-$ が起こる場合、$X(16.7)$ は検出可能か？
• RQ2 $J/\psi \to X\gamma$ 衰えにおいて、軸性ベクトルカレントは顕著な寄与を示すか？また、イベント数が少ないにもかかわらずSNRを向上させ得るか？
• RQ3 検出器のスミアリング効果は、$e^+e^-$ 二体質量スペクトルにおける $X(16.7)$ 共鳴の可視性にどのように影響するか？
• RQ4 $\sqrt{s} = 3.7$ GeV における $e^+e^-$ 衝突で、現実的なカップリング定数を想定した場合、$X(16.7)$ イベントの年間予想数はどの程度か？
• RQ5 $J/\psi$ 衰え経路は、スミアリング後の良好なSNRのおかげで、統計的数が少ないにもかかわらず、$X(16.7)$ の決定的信号を提供できるか？

主な発見

• $\sqrt{s} = 3.7$ GeV における $e^+e^-$ 衝突で、$g_e^{v/a} \sim 10^{-3}$ の場合、年間約6000件の $X(16.7)$ イベントが予想されるが、バックグラウンドは依然として顕著である。
• $X(16.7)$ の実験フレームにおける崩壊長は、カップリング強度に応じて 0.27 mm から 27 mm の範囲にあり、検出可能性およびスミアリング効果に影響を与える。
• $e^+e^- \to X\gamma$ のSNRは、スミアリングを施した後、著しく低下しており、バックグラウンドの強い汚染を示している。
• $J/\psi \to X\gamma$ では、軸性ベクトルカレントが生成振幅を支配しており、信号イベント数が少ないにもかかわらずSNRが高くなる。
• $g_c^a = 10^{-3}$ の場合、$J/\psi$ 衰えで約52件の $X(16.7)$ イベントが予想され、スミアリング後の [16.6, 16.8] MeV の質量窓でSNRが7.2に達する。
• 複数のバックグラウンド質量窓においてもSNRが5.0を超えるため、BESIIIにおける $J/\psi$ 衰え経路は $X(16.7)$ の発見可能性が非常に高いと示唆される。