[논문 리뷰] A possible interpretation for $X(6900)$ observed in four-muon final state by LHCb -- A light Higgs-like boson?

Jian-Wen Zhu, Xing-Dao Guo외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 17인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 LHCb에서 관측한 6.9 GeV에서의 $X(6900)$ 공명 상태가 테트라쿠ォ크 상태가 아니라 $0^{++}$ 양자수를 지닌 기본적인 BSM 힉스 유사 보손임을 제안한다. 효과적 장 이론 프레임워크를 사용하여, 이 보손의 글루온과 셰이프 쿼크에 대한 결합을 모델링하며, 예측한 $pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$ 단면적($\sim$10 pb)과 진동 질량 분포가 실험 데이터와 일치함을 보여, 10 GeV 이하의 새로운 물리 스케일을 지지한다.

ABSTRACT

A peak structure of $J/ψ$ pair production around $6.9~{ m GeV}$ was observed and analyzed by the LHCb collaboration using the Run I and II data of LHC. How to understand this peak arouses enthusiastic discussions among both theorists and experimentalists of high energy physics, because this discovery might hint something new. Overwhelming works on this topic tend to attribute the peak as a four-quark state: tetraquark or molecule. Instead, we suggest that this peak is corresponding to a fundamental Higgs-like boson with mass about $6.9~{ m GeV}$ which is advocated by a BSM effective theory. We present a detailed analysis on both signal and SM background, including integrated cross sections and invariant mass distributions of the final-state $J/ψ$ pair. Our numerical results are well in coincidence with the experimental data, as postulating the resonance observed by LHCb to be a BSM $0^{++}$ scalar. Therefore, the peak at $M_{ ext{di-}J/ψ} \sim 6.9~{ m GeV}$ might be a hint of new physics beyond the SM whose scale is not as large as mostly expected by high energy physicists. More further works are urgently needed in both experimental and theoretical aspects to validate or negate this assumption.

연구 동기 및 목표

• LHCb가 $J/\psi$ 쌍 최종 상태에서 관측한 $X(6900)$ 공명 상태에 대한 대안적 해석을 탐색한다.
• 기존의 테트라쿠ォ크 또는 분자 상태 해석에 도전하여, 기본적인 BSM 힉스 유사 스칼라 보손을 제안한다.
• 질량 약 6.9 GeV인 $0^{++}$ 힉스 유사 보손이 관측된 $pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$ 단면적과 진동 질량 분포를 설명할 수 있는지 테스트한다.
• LHC 런 I 및 II의 실험 데이터를 사용하여 이러한 BSM 힉스 유사 보손의 매개변수 공간을 제약한다.
• 낮은 스케일의 새로운 물리의 포털이 될 수 있는 $X(6900)$ 공명 상태에 대한 향후 실험적·이론적 검토를 촉진한다.

제안 방법

• 6.886 GeV의 질량을 지닌 새로운 $0^{++}$ 스칼라 보손 $X(6900)$을 도입하는 효과적 장 이론 프레임워크를 채택한다.
• 결합 상수 $g_{ggX}$와 $g_{c\bar{c}X}$가 표준모형 힉스 보손과 유사하게 진화한다고 가정하며, 벤치마크 값으로 $g_{ggX} = 0.06$, $g_{c\bar{c}X} = 0.18$를 사용한다.
• SM 배경과 $X(6900)$ 신호 간 간섭을 포함한 행렬 요소를 사용하여 $\sqrt{s} = 7$, $8$, $13$ TeV에서 $pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$의 총 단면적을 계산한다.
• 신호 순수도를 평가하기 위해, 진폭 제곱에 SM 배경 진폭과 $X(6900)$ 진폭 간의 간섭 효과를 포함한다.
• LHCb 분석과 일치시키기 위해 실험적 피드유비션 영역 컷을 적용: $p_T^{J/\psi} < 10.0$ GeV, $2.0 < y_{J/\psi} < 4.5$.
• 이론적 예측을 LHCb의 통합 단면적 및 진동 질량 분포 데이터와 비교하여 모델의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6.9 GeV에서의 $X(6900)$ 공명 상태가 네 쿼크 상태가 아니라 기본적인 BSM 힉스 유사 스칼라 보손으로 해석될 수 있는가?
• RQ2 관측된 $pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$ 단면적을 재현하기 위해 $0^{++}$ 스칼라 보손이 글루온과 셰이프 쿼크에 대해 가져야 할 결합 강도는 얼마인가?
• RQ3 진동 질량 분포에서 SM 배경과 $X(6900)$ 신호 간의 간섭은 얼마나 중요한가?
• RQ4 현재 루미노시티 조건에서 $X(6900)$ 신호의 예측 단면적이 LHC에서 측정 가능한가?
• RQ5 LHCb 데이터는 이러한 BSM 힉스 유사 보손의 매개변수 공간에 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• 13 TeV에서 $pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$를 통한 $X(6900)$ 공명 상태의 예측 총 단면적은 $\sim$105.36 fb이며, 실험 데이터와 일치한다.
• 13 TeV에서의 통합 단면적은 간섭을 포함할 경우 $\sigma_{\hat{S}} = 98.39$ fb이고 $\sigma_S = 105.36$ fb로, 관측된 신호와 양호한 일치를 보인다.
• SM 배경과 $X(6900)$ 신호 간의 간섭은 신호 기여보다 훨씬 작으며, 이는 공명 피크가 흐려지지 않고 안정적임을 나타낸다.
• 실험 데이터에 의해 $g_{ggX}$와 $g_{c\bar{c}X}$의 매개변수 공간이 제약되며, 그 중 검은 선으로 둘러싸인 영역만 허용된다 (그림 2 참조).
• 모델은 $\sqrt{s} = 7$, $8$, $13$ TeV에서 $\mathcal{O}(10~\text{pb})$ 수준의 신호 단면적을 예측하며, 이는 현재 LHC 검출기의 측정 범위 내에 있다.
• 신호와 배경을 모두 포함한 $J/\psi$ 쌍의 진동 질량 분포가 LHCb 데이터와 잘 일치하여, $0^{++}$ 힉스 유사 보손 가설을 지지한다.