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

Long-Bin Chen, Yi Liang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2016

Scientific Research and Discoveries参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、$e^+e^-$衝突および$J/\psi$崩壊を用いて、仮説的なスピン1ボソンX(16.7)の探索を提案し、ベクトルマイナス相互作用を採用して$X \to e^+e^-$崩壊の断片を分析する。BESIIIでは、$e^+e^-$衝突において年間約6,000件の測定可能な$X(16.7)$イベントが予想されるが、背景が顕著である。一方、$J/\psi$崩壊では52件のイベントしか予想されないが、検出器のスメアリングを経た後も、信号対ノイズ比が有望である。

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: $e^+e^- o X\gamma$ and $J/\psi o X\gamma$, both following with $X o e^+e^-$ decay. We adopt the vector minus 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 $J/\psi$ 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

• 仮説的なX(16.7)ボソンの生成と検出を調査すること。これは、$^8$Be異常を説明する媒介粒子として提案されている。
• 予想されるカップリング定数を考慮した場合、BESIIIにおける電子・陽電子衝突でのX(16.7)検出の可能性を評価すること。
• $J/\psi \to X\gamma$崩壊を代替生成モードとして検討し、検出器のスメアリングを経た後の信号対ノイズ比を評価すること。
• 検出器のエネルギー分解能（スメアリング）が、両生成モードにおける観測可能な信号率および検出可能性に与える影響を分析すること。

提案手法

• ベクトルマイナス相互作用の仮説を採用し、$X(16.7)$の生成過程$e^+e^- \to X\gamma$および$J/\psi \to X\gamma$をモデル化する。
• 崩壊チャネル$X \to e^+e^-$を仮定し、$e^+e^-$ペアのインバリアント質量を用いて$X$ボソンの再構築を可能にする。
• 生成断面積、$e^+e^-$インバリアント質量スペクトルにおける微分分布、および崩壊長の理論的計算を実施する。
• BESIIIにおける検出器分解能の影響（スメアリング）をシミュレートした後、信号対ノイズ比（SNR）を計算する。
• イベント率とバックグラウンド汚染の推定に、カップリング定数$g_f^{v/a} \sim 10^{-3}$を用いる。
• ベクトルおよび軸性ベクトルカレントの両方の寄与を含み、特に$J/\psi$崩壊におけるそれらの役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BESIIIにおける$e^+e^-$衝突での検出可能な$X(16.7)$イベントの年間予想数は何か？また、バックグラウンドは観測可能性にどのように影響するか？
• RQ2 イベント数が少ないにもかかわらず、$J/\psi \to X\gamma$崩壊が$X(16.7)$の代替生成モードとして有効に機能するか？
• RQ3 検出器のスメアリング効果が、$e^+e^-$および$J/\psi$チャンネルにおける$X(16.7)$検出の信号対ノイズ比にどのように影響するか？
• RQ4 軸性ベクトルカレント寄与が$J/\psi$崩壊における$X(16.7)$生成に果たす役割はどの程度で、信号対ノイズ比にどのように影響するか？
• RQ5 $X(16.7)$の崩壊長は、BESIIIでの検出可能性を決定づける要因としてどの程度の重要性を有するか？

主な発見

• カップリング定数$g_f^{v/a} \sim 10^{-3}$を仮定した場合、BESIIIにおける$e^+e^-$衝突で年間約6,000件の$X(16.7)$イベントが予想される。
• 検出器のスメアリングを経た後も、バックグラウンドが大きくても、$e^+e^-$生成チャネルにおける信号対ノイズ比は測定可能である。
• $J/\psi \to X\gamma$崩壊では、約52件のイベントしか予想されないが、スメアリング効果を経た後も信号対ノイズ比は依然として有望である。
• 軸性ベクトルカレント寄与は、イベント数が少ないにもかかわらず、$J/\psi$崩壊過程において非無視できる役割を果たしており、検出可能性を高めている。
• $X(16.7)$ボソンの崩壊長は、仮定されたカップリングモデル下でBESIII検出器内での観測可能なシグネチャと整合的である。
• ベクトルマイナス相互作用モデルは、$e^+e^-$および$J/\psi$生成モードの両方における$X(16.7)$の探査に有効な理論的枠組みを提供する。