[논문 리뷰] Search for a Narrow Resonance in e+e- to Four Lepton Final States

The BABAR Collaboration, B. Aubert|ArXiv.org|2009. 08. 19.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 BaBar 실험에서 확보한 536 fb$^{-1}$의 데이터를 사용하여 $e^+e^-$ 충돌에서 넓이가 좁은 $W'$ 공명이 네 렙톤으로 붕괴하는 것을 탐색한다. 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 최종 상태에 따라 15–70 ab 사이의 $e^+e^- \to W'W'$ 반응 단면적에 대한 90% 신뢰도 상한선을 제시하고, 은신 영역 모델에서의 혼합 및 어둠스러운 상호작용 상수에 대한 엄격한 제약 조건을 도출한다.

ABSTRACT

Motivated by recent models proposing a hidden sector with $\sim$GeV scale force carriers, we present a search for a narrow dilepton resonance in 4 lepton final states using $536fb^{-1}$ collected by the BaBar detector. We search for the reaction, $e^+e^- o W^\prime W^\prime o(l^+l^-)(l^{\prime+}l^{\prime-})$, where the leptons carry the full 4-momentum and the two dilepton pair invariant masses are equal. We do not observe a significant signal and we set 90% upper limits of $σ(e^+e^- o W^\prime W^\prime o(e^+e^-)(e^+e^-))

연구 동기 및 목표

• 지메브 스케일의 은신 영역을 가진 모델에 동기화되어, $e^+e^-$ 충돌에서 네 렙톤으로 붕괴하는 좁은 $W'$ 공명을 탐색하는 것.
• 두 렙톤 쌍으로 붕괴하는 $W'$ 공명을 통해 표준모형과 어둠스러운 영역 간의 상호작용 상수를 제약하는 것.
• 다양한 네 렙톤 최종 상태에 대해 $e^+e^- \to W'W'$ 생성 단면적에 대한 상한선을 설정하는 것.
• 표준모형-어둠스러운 영역 혼합 매개변수 $\varepsilon$와 어둠스러운 상호작용 상수 $\alpha_D$의 곱에 대한 제약 조건을 유도하는 것.
• 특히 비아벨 힉스화된 어둠스러운 영역을 포함하는 은신 영역 모델의 타당성을 시험하는 것.

제안 방법

• BaBar 검출기에서 확보한 536 fb$^{-1}$의 데이터를 사용하여, $\Upsilon(4S)$ 공명 근처의 중심질량 에너지에서 $e^+e^-$ 충돌을 분석한다.
• $e^+e^- \to W'W' \to (l^+l^-)(l'^+l'^-)$를 탐색하며, 두 렙톤 쌍의 진동 질량이 동일한지 확인하여 좁은 공명을 식별한다.
• 네 렙톤의 전체 4-모멘텀을 재구성하는 데 중점을 두어, $e^+e^-e^+e^-$, $e^+e^-\mu^+\mu^-$, $\mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ 최종 상태를 분석한다.
• 레프톤 유니버설리티를 가정하여, 세 최종 상태의 상한선을 프로파일 리스크 함수를 사용해 통합한다.
• 식 (6)과 (7)을 사용하여 $W'$ 생성 이론 단면적을 계산하며, 이는 $\varepsilon^2\alpha_D$ 또는 $\varepsilon^2\alpha_D/m_{A'}^4$ 에 의존한다.
• 관측된 상한선와 이론적 예측을 비교하여, 90% 신뢰도 상한선을 $\varepsilon^2\alpha_D$ 및 $\varepsilon^2\alpha_D/m_{A'}^4$ 에 대해 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BaBar 실험에서 $e^+e^-$ 충돌의 네 렙톤 최종 상태에 좁은 $W'$ 공명이 나타나는가?
• RQ2 다양한 네 렙톤 최종 상태에 대해 $e^+e^- \to W'W'$ 단면적에 대한 상한선는 무엇인가?
• RQ3 관측된 상한선는 은신 영역 모델에서 혼합 매개변수 $\varepsilon$와 어둠스러운 상호작용 상수 $\alpha_D$에 어떤 제약 조건을 가하는가?
• RQ4 이 탐색은 $W'$ 질량과 상호작용 상수 매개변수 공간의 어떤 영역을 배제하는가?
• RQ5 질량이 1.0 GeV/$c^2$ 이상인 어둠스러운 보스론 $A'$의 선호되는 매개변수 영역을 데이터는 배제할 수 있는가?

주요 결과

• 네 렙톤 최종 상태에서 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 이는 $e^+e^- \to W'W'$ 단면적에 대한 90% 신뢰도 상한선로 이어진다.
• $e^+e^- \to W'W' \to e^+e^-e^+e^-$의 상한선은 $W'$ 질량 범위 0.24–5.3 GeV/$c^2$ 동안 $< (15-70)\,\text{ab}$이다.
• $e^+e^- \to W'W' \to e^+e^-\mu^+\mu^-$의 상한선은 동일한 질량 범위에서 $< (15-40)\,\text{ab}$이다.
• $e^+e^- \to W'W' \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$의 상한선은 $< (11-17)\,\text{ab}$이며, 통계 수가 적어 불확도가 증가한다.
• 레프톤 유니버설리티를 가정할 경우, 통합 상한선는 $e^+e^- \to W'W' \to l^+l^-l'^+l'^-$에 대해 $< (25-60)\,\text{ab}$이다.
• 레프톤 유니버설리티를 가정할 경우, $A'$ 질량이 낮을 경우 $\varepsilon^2\alpha_D > 2 \times 10^{-10}$, $A'$ 질량이 높을 경우 $\varepsilon^2\alpha_D/m_{A'}^4 > 2 \times 10^{-14}$ 인 값들은 대부분의 $W'$ 질량 범위에서 배제되며, 질량이 1.0 GeV/$c^2$ 이상인 어둠스러운 보스론 $A'$의 선호 매개변수 영역도 배제된다.