[논문 리뷰] Hunting down the X17 boson at the CERN SPS

E. Depero, Yuri Andreev외 54명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 6인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 CERN SPS의 NA64 실험을 위해 X17 보손을 탐색하기 위한 새로운 실험 설정을 제안한다. X17 보손은 8Be 및 4He 핵 전이에서 관측된 이면 현상들을 설명할 수 있는 가령의 프로토프로브성 벡터 보손이다. 진공 붕괴 파이프를 18m로 연장하고, 2% 정밀도로 e+e− 쌍의 인variant 질량을 재구성하기 위해 가스 트래킹 디텍터를 사용함으로써, 신호를 명확히 식별할 수 있다. 이 연구는 약 7×10¹¹ equivalent on-target (EOT)의 비례된 빔 시간이 90% 신뢰수준에서 전체 X17 매개변수 공간(ε < 1.4×10⁻³)을 커버할 수 있음을 보여주며, 배경은 0.01 이하로 추정된다.

ABSTRACT

Recently, the ATOMKI experiment has reported new evidence for the excess of $e^+ e^-$ events with a mass $\sim$17 MeV in the nuclear transitions of $^4$He, that they previously observed in measurements with $^8$Be. These observations could be explained by the existence of a new vector $X17$ boson. So far, the search for the decay $X17 ightarrow e^+ e^-$ with the NA64 experiment at the CERN SPS gave negative results. Here, we present a new technique that could be implemented in NA64 aiming to improve the sensitivity and to cover the remaining $X17$ parameter space. If a signal-like event is detected, an unambiguous observation is achieved by reconstructing the invariant mass of the $X17$ decay with the proposed method. To reach this goal an optimization of the $X17$ production target, as well as an efficient and accurate reconstruction of two close decay tracks, is required. A dedicated analysis of the available experimental data making use of the trackers information is presented. This method provides independent confirmation of the NA64 published results [Phys. Rev. D101, 071101 (2020)], validating the tracking procedure. The detailed Monte Carlo study of the proposed setup and the background estimate shows that the goal of the proposed search is feasible.

연구 동기 및 목표

• 8Be 및 4He 핵 전이에서 관측된 이면 현상들을 설명하기 위해 제안된 가령의 프로토프로브성 게이지 보손인 X17 보손을 탐색하기 위해.
• 이전 NA64 결과로 아직 배제되지 않은 X17 보손의 잔여 매개변수 공간에서의 민감도를 향상시키기 위해.
• e+e− 붕괴 생성물로부터 X17의 인variant 질량을 정밀하게 재구성함으로써 신호 식별을 명확히 할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 기존 2018년 데이터를 활용해 트래킹 재구성 절차를 검증함으로써 이전 NA64 결과의 독립적 확인을 위해.
• 3개월 빔 시간의 예측치를 바탕으로 전체 X17 매개변수 공간(ε < 1.4×10⁻³)을 탐색할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• X17 → e+e− 붕괴에서 발생하는 두 붕괴 궤적 간의 충분한 분리를 위해 붕괴 진공 파이프를 12m에서 18m로 연장한다.
• 자기장에 의해 굴절된 두 전자의 궤적을 재구성하기 위해 두 개의 가스 트래킹 디텍터를 사용한다.
• 전자기 칼로리미터에서의 에너지 손실 측정과 운동량 재구성을 결합하여 e+e− 쌍의 에너지를 고정밀도로 결정한다.
• 예상되는 X17 질량(17 MeV)을 중심으로 10% 창을 적용하고, 두 전자기 샤워 간 최소 8cm의 간격을 요구한다.
• 디텍터 반응과 배경 추정을 위한 상세한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하며, γ-펀치스루 및 K0S 기여도를 포함한다.
• 2018년 NA64의 가시 모드 런 데이터를 활용해 트래킹 재구성 효율성을 검증하고, 새로운 분석 접근법의 가능성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이전 탐색으로 아직 배제되지 않은 전체 X17 매개변수 공간(ε < 1.4×10⁻³)을 탐색하기 위해 NA64 실험은 충분한 민감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 제안된 18m 진공 파이프와 가스 트래커 시스템이 X17 → e+e− 붕괴의 인variant 질량을 2% 정밀도로 해상할 수 있는가?
• RQ3 새로운 설정에서 기대되는 배경 수준은 어떠한가? 특히 γ-펀치스루 및 K0S 기여도는 어떻게 되며, 0.01 이하로 유지될 수 있는가?
• RQ4 2018년 데이터 분석에서 사용된 트래커 기반 재구성 방법이 NA64 결과를 독립적으로 확인하고 새로운 접근법을 검증하는 데 기여하는가?
• RQ5 90% 신뢰수준에서 전체 X17 매개변수 공간을 커버하기 위해 필요한 빔 시간(등가 타겟 대비)은 얼마인가?

주요 결과

• 18m 진공 파이프와 가스 트래커를 갖춘 제안된 설정은 X17 → e+e− 붕괴의 인variant 질량 재구성을 2% 정밀도로 가능하게 한다.
• 배경 수준은 0.01 이하로 추정되며, 주로 γ-펀치스루 및 K0S 기여도에서 비롯되며, 새로운 설정에서의 증가는 예상되지 않는다.
• 2018년 데이터의 트래커 기반 분석은 모든 고려된 시나리오에서 X17 붕괴 생성물에 대해 재구성 효율이 거의 100%임을 확인한다.
• 전체 X17 매개변수 공간(ε < 1.4×10⁻³)을 90% 신뢰수준에서 탐색하기 위해 약 ~7×10¹¹ equivalent on-target (EOT)의 빔 시간이 필요하다.
• V±A 커플링을 가진 모델은 더 작은 允許된 커플링 강도를 가지므로 10일 이내에 커버될 수 있다.
• 2018년 데이터의 새로운 분석은 민감도 향상에 기여하지는 않지만, 트래킹 절차의 독립적 검증을 제공하며 이전 설정의 한계를 부각시킨다.