[논문 리뷰] Observation of an excess at 30 GeV in the opposite sign di-muon spectra of ${ m Z}^{0} o b\overline{ b} + { m X}$ events recorded by the ALEPH experiment at LEP

Arno Heister|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 1992–1995년 기간 동안 LEP에서 확보한 ALEPH 데이터를 재분석하여 Z⁰ 공명 붕괴에서 b̄b + X 사건 내 반대전하 이중-μon 진동 질량 스펙트럼에 30.40 ± 0.46 GeV의 초과를 보고한다. 이 초과의 자연 폭은 1.78 ± 1.14 GeV이며, 국소적 의미도 약 5σ 수준이며, 이중 전자 채널에서도 유사한 증거가 관찰되어 표준모형을 넘어서는 새로운 레조넌스 또는 새로운 물리 현상의 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

The re-analysis of the archived data recorded at the ${ m Z}^{0}$ resonance by the ALEPH experiment at LEP during the years 1992-1995 shows an excess in the opposite sign di-muon mass spectra at 30.40 $\pm$ 0.46 GeV in events containing b quarks. The excess has a natural width of 1.78 $\pm$ 1.14 GeV. The di-muon excess has a local significance around $5\,σ$ ($Z_{ m asym}$), depending on the background model used. The significances for background models based on a kernel density approximation stay close to $3\,σ$ ($Z_{ m freq,\,lee}$), when including a look elsewhere effect. Another method to obtain a significance value results in at least $2.6\,σ$ ($Z_{ m Bi}$). A compatible, but smaller excess is visible in the opposite di-electron mass spectrum as well. This paper uses the data collected by the ALEPH experiment in the years 1992-1995, which have been archived to allow their use for physics analyses after the closure of the collaboration.

연구 동기 및 목표

• 1992–1995년 기간 동안 기록된 ALEPH 데이터를 재분석하여 Z⁰ → b̄b + X 사건 내 이상 신호를 탐색한다.
• 반대전하 이중-μon 및 이중 전자 진동 질량 스펙트럼 내 좁은 레조넌스의 존재를 조사한다.
• 배경 모델링 및 다른 영역 탐색 효과를 고려하여 관측된 초과의 통계적 의미를 평가한다.
• 표준모형을 넘어서는 새로운 레조넌스가 레프톤 쌍으로 붕괴하는 가능성을 탐색하며, 이는 새로운 물리 현상의 징후가 될 수 있다.

제안 방법

• 신호 위상 Z⁰ → b̄b + μ⁺μ⁻ 또는 e⁺e⁻와 동일한 선택 기준을 사용하여 Z⁰ 공명 붕괴에서의 ALEPH 데이터를 재구성하고 분석한다.
• 반대전하 이중-μon-전자 쌍을 포함한 사건을 사용하여 배경을 모델링한다.
• RooFit/ROOT를 사용한 비구속 최대우도 적합을 수행하며, 이중-μon의 경우 브레잇-윈저 함수를 가우시안과 콘볼루션한 형태, 이중 전자 채널의 경우 크리스탈 볼 함수에 가우시안 콘볼루션을 적용하여 브레밍스트라할루션 영향을 반영한다.
• 검출기 성능 기반으로 가우시안 성분의 해상도 파rameter를 제약하는 페널티 함수를 적용한다.
• 다양한 방법을 사용하여 의미도를 계산한다: 비대칭 기반(Z_asym), 빈도 기반(Z_freq,lee), 베이지안 기반(Z_Bi)으로, 다른 영역 탐색 효과 보정을 포함한다.
• 이중-μon 및 이중 전자 스펙트럼을 동시에 적합하여 공통 레조넌스 존재 여부를 테스트하며, 복사 효과로 인한 전자 채널 내 질량 이동을 允許한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기록된 ALEPH 데이터에서 Z⁰ → b̄b + X 사건의 반대전하 이중-μon 진동 질량 스펙트럼에 통계적으로 의미 있는 초과가 존재하는가?
• RQ2 반대전하 이중 전자 질량 스펙트럼에도 유사한 초과가 나타나며, 이는 이중-μon 신호와 일관된가?
• RQ3 관측된 초과의 진동 질량 및 자연 폭은 얼마이며, 다양한 배경 모델링 접근법에 대해 그 의미도는 얼마나 견고한가?
• RQ4 관측된 초과는 레프톤 쌍으로 붕괴하는 새로운 레조넌스에 의해 설명될 수 있는가? 양 채널의 통합 의미도는 어떻게 되는가?

주요 결과

• Z⁰ → b̄b + X 사건의 반대전하 이중-μon 진동 질량 스펙트럼에서 30.40 ± 0.46 GeV에서 레조넌스 유사 초과가 관측된다.
• 초과의 자연 폭은 1.78 ± 1.14 GeV로 측정되며, 좁은 레조넌스와 일관된다.
• 이중-μon 초과의 국소적 의미도는 배경 모델에 따라 약 5σ 수준에 도달한다(Z_asym).
• 핵심 밀도 배경 추정을 사용한 다른 영역 탐색 효과 보정을 고려할 경우, 의미도는 여전히 약 3σ 수준에 머무른다(Z_freq,lee).
• 베이지안 의미도 추정치는 최소 2.6σ(Z_Bi)를 기록하여 신호에 대해 중간 정도의 증거를 시사한다.
• 이중 전자 질량 스펙트럼에서도 일관되지만 더 작은 초과가 관측되며, 브레밍스트라할루션 영향으로 평균 질량이 낮아진 상태이며, 동시에 적합한 분석에서 이중-μon 신호와 일관된다.