[논문 리뷰] Physical interpretation of the anomalous Cherenkov rings observed with the DELPHI detector

V. Perepelitsa, T. Ekelöf외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 DELPHI RICH 검출기에서 관측된 비정상적인 츄레노프 고리가 초광속 입자(tachyon)에서 기인한다고 제안한다. 이 고리들은 초상대론적 입자보다 큰 반지름을 보이며, 액체 및 기체 레이저 매질에서의 운동량 및 고리 반지름의 운동역학적 피팅을 통해 0.29±0.01 GeV/c² 및 4.6±0.2 GeV/c²의 두 개의 별개의 tachyon 질량 피크를 식별하였다. 액체와 기체 매질 간의 측정치 간 높은 일관성은 배경 기인보다는 비배경 기인을 지지한다.

ABSTRACT

The results of a search with the DELPHI Barrel RICH for anomalous Cherenkov rings having radii greater than those produced by ultrarelativistic particles were reported in our previous paper [1]. The search was based on the data collected by the DELPHI Collaboration at CERN during the LEP1 and LEP2 periods. A detailed study of background sources capable of producing apparently anomalous rings has been done; it indicated that the background hypothesis has a low probability ($10^{-3}$ or less). An additional strong argument against the background hypothesis was provided by the observation of a high degree of correlation between anomalous ring radii in the liquid and gaseous radiators in the selected events.The results obtained are interpreted in this paper in terms of observation of faster-than-light particles (tachyons). In the framework of this interpretation two peaks in the tachyon mass parameter distribution are observed, at $(0.29 \pm 0.01)$~GeV/c$^2$ and $(4.6 \pm 0.2)$~GeV/c$^2$. This work has been performed by the authors following the rules for external access to the DELPHI archived data, as established in http://delphiwww.cern.ch/delsec/finalrules/FINALrules011203.pdf The opinions, findings and conclusions expressed in this material are those of the authors alone and do not reflect in any way the views of the DELPHI Collaboration.

연구 동기 및 목표

• DELPHI 바렐 RICH 검출기에서 초상대론적 입자보다 큰 반지름을 보이는 비정상적인 츄레노프 고리의 물리적 기원을 조사하는 것.
• 이 고리들이 낮은 확률(≤10⁻³)과 레이저 매질 유형 간 일관성 부족으로 인해 배경 원인이 아님을 배제하는 것.
• 이 고리들이 상대론적 인과성 원칙에 부합하는 초광속 입자(tachyon)에서 기인한다는 가설을 탐색하는 것.
• 액체 및 기체 레이저 매질에서 고리 반지름과 운동량 측정치를 바탕으로 tachyon 질량 파rameter 분포를 결정하는 것.
• 두 레이저 매질 간 고리 반지름 간 상관관계 분 析를 통해 tachyon 해석의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• 에너지-운동량 보존 및 tachyon에 대한 츄레노프 각도 관계를 강제하는 제약식을 사용한 비정상 고리가 포함된 사건의 운동역학적 피팅.
• tachyon의 경우 β > 1 이므로 cosθc = 1/(nβ) 공식을 적용하여 고리 반지름을 tachyon 속도 및 굴절률과 연결하는 것.
• 액체 C₆F₁₄ (n=1.273) 및 기체 C₅F₁₂ (n=1.00194)의 두 가지 레이저 매질을 사용하여 고리 반지름 측정치를 상호 검증하고 체계적 편향을 줄이는 것.
• 피팅 절차에 세 가지 토폴로지(1a, 1b, 2)를 적용하며, 각각 tachyon 운동량, 에너지 및 ISR 광자 기여를 포함한 별개의 운동역학적 제약 조건을 가짐.
• dE/dx 측정치와 페르미 플랫폼 보정을 통합하여 tachyon 속도와 tachyon 가설과의 일관성을 평가하는 것.
• 미지수인 tachyon 질량 파rameter μ, 에너지 및 운동량을 구하기 위해 제약식(A1.1–A1.7, A2.1–A2.6, A3.1–A3.2)을 사용하며, 운동량 및 에너지 보존을 강제하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정상적인 츄레노프 고리가 DELPHI 검출기의 알려진 배경 원인에 의해 설명될 수 있는가? 이 고리들은 초상대론적 입자보다 큰 반지름을 보인다.
• RQ2 액체 및 기체 레이저 매질 간 고리 반지름 간 관측된 상관관계는 무작위 배경 변동성을 배제할 수 있는 물리적 설명을 제공하는가?
• RQ3 사건의 운동역학적 제약 조건은 특정 질량 파arameter를 가진 초광속 입자(tachyon) 존재를 지지하는가?
• RQ4 두 레이저 매질에서 일관된 피팅을 통해 유도된 비정상 고리의 원인이 된 tachyon의 질량 파arameter는 무엇인가?
• RQ5 tachyon 해석은 선호되는 관성 기준 프레임에서 상대론적 인과성과 에너지-운동량 보존과 일관하는가?

주요 결과

• 비정상 고리의 배경 가설은 확률 10⁻³ 이하이므로, 무작위 또는 기기 기인일 가능성은 매우 낮다.
• 액체 및 기체 레이저 매질 간 비정상 고리 반지름 간 높은 상관관계는 무작위 배경 변동이 아니라 진정한 물리적 기원을 강력히 지지한다.
• tachyon 질량 파arameter 분포에서 0.29±0.01 GeV/c² 및 4.6±0.2 GeV/c²의 두 개의 별개 피크가 관측되어 두 종류의 tachyon 집단이 존재함을 시사한다.
• 운동역학적 피팅 절차는 츄레노프 고리 반지름과 운동량 측정치를 사용하여 tachyon 운동량, 에너지 및 질량 파arameter를 성공적으로 제약 조건화하였다.
• 두 레이저 매질 및 여러 사건 토폴로지 간 결과의 일관성은 다른 설명보다 tachyon 가설을 더욱 강화한다.
• 저자들은 관측된 데이터가 tachyon에 대한 증거로 가장 타당하게 해석될 수 있다고 결론 내리지만, 명시적으로 이 발견들이 DELPHI 협업의 견해를 반영하지는 않는다고 밝힌다.