[논문 리뷰] Search for low-mass Higgs and dark photons at BESIII

V. Prasad, Haibo Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 BESIII에서 $J/\psi$ 및 $\psi(3770)$의 복사 붕괴를 통해 저질량 힉스 및 어둠료 광자를 찾는 연구를 제시한다. 초기 상태 복사와 이전자 final state를 사용한다. 신호는 관측되지 않았으며, $m_{A^0}$가 0.212에서 3.0 GeV/$c^2$ 사이인 범위에서 $\mathcal{B}(J/\psi\to\gamma A^0)\times\mathcal{B}(A^0\to\mu^+\mu^-)$의 제품 분해율에 대해 90% 신뢰수준 상한선을 $(2.8{-}386.5)\times10^{-8}$로 설정하였으며, 이는 이전의 한계를 한 단계 향상시킨다.

ABSTRACT

Many extensions of the Standard Model introduce a new type of weak-interacting degrees of freedom. These models are motivated by the results of recent experimental anomalies. Typical models, such as Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model and Light Hidden Dark-sector Model, introduce the possibilities of low-mass Higgs and dark bosons. The masses of such particles are expected to be few GeV and thus making them accessible at BESIII experiment, an $e^+e^-$ collider experiment running at tau-charm region. This report summarizes the recent results of low-mass Higgs and dark bosons searches at BESIII.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 확장, 예를 들어 NMSSM 및 은밀한 어둠료 영역 모형과 관련된 저질량 힉스 보손($A^0$)과 어둠료 광자($\gamma'$)를 BESIII에서의 $e^+e^-$ 충돌에서 찾는 것.
• 몇 개의 GeV 이하의 질량을 가지며 약하게 상호작용하는 새로운 물리 입자를 탐색하며, 이는 $J/\psi$ 및 $\psi(3770)$ 공진 상태에서 접근 가능하다.
• 이러한 새로운 입자들이 표준모형 페르미온과의 결합 상수를 기존의 배제 한계를 향상시키는 것.
• 최근 실험적 이상 현상들을 설명할 수 있는 NMSSM 및 낮은 에너지 어둠료 영역 모형의 매개변수 공간을 제약하는 것.

제안 방법

• 초기 상태 복사(ISR)를 이용한 $e^+e^-$ 충돌에서 $\sqrt{s} \approx m_{J/\psi}$ 및 $m_{\psi(3770)}$ 조건에서, 가상의 $\gamma'$ 또는 $A^0$를 포함한 광자를 생성한다.
• ISR 광자를 외부로 측정하여 비-ISR 배경을 억제하기 위해 무표시 ISR 광자 방법을 적용한다.
• 누락된 입자의 질량을 0으로 가정하여 1구속(1C) 운동량 보정을 수행함으로써 이전자 시스템의 인variant 질량 해상도를 향상시킨다.
• 배경을 모델링하기 위해 $J/\psi\to\mu^+\mu^-$, $\rho$, $f_2(1270)$, $f_0(1710)$, $f_4(2050)$ 공진 상태를 포함한 콜라주 몬테카를로 샘플을 사용한다.
• 체계적 불확실성을 고려하기 위해 가우시안 스메어링을 통해 정규화된 로그우도(NLL) 스캔을 수행하여 90% 신뢰수준 상한선을 설정한다.
• 비행기 기반 배경을 억제하기 위해 입자 식별(PID) 절차와 공간적 제약(축 방향 10 cm 이내, 수직 방향 1 cm 이내)을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.212{-}3.0 GeV/$c^2$ 질량 범위에서 저질량 CP-홀드 힉스 보손에 대해 $\mathcal{B}(J/\psi\to\gamma A^0)\times\mathcal{B}(A^0\to\mu^+\mu^-)$의 배제 한계는 무엇인가요?
• RQ2 BESIII 결과는 저질량 힉스 및 어둠료 광자를 찾는 데 있어 BABAR, CLEO 및 CMS의 이전 결과를 어떻게 향상시켰나요?
• RQ3 $\psi(3770)$ 데이터에서 $e^+e^-\to\gamma_{\rm ISR}\gamma'$ 이후 $\gamma'\to\mu^+\mu^-$를 통한 어둠료 광자 생성에 대한 BESIII 실험의 감도는 어떻게 되나요?
• RQ4 관측된 한계는 NMSSM 및 낮은 에너지 어둠료 영역 모형의 매개변수 공간을 얼마나 잘 제약할 수 있나요?
• RQ5 특히 복구 효율성, 해상도 및 PID에 기인한 체계적 불확실성은 최종 상한선 결정에 어떤 영향을 미치나요?

주요 결과

• 저질량 힉스 또는 어둠료 광자 탐색에서 이전자 질량 스펙트럼에서 좁은 공진 상태의 증거는 관측되지 않았다.
• 90% 신뢰수준 상한선 $\mathcal{B}(J/\psi\to\gamma A^0)\times\mathcal{B}(A^0\to\mu^+\mu^-)$는 $m_{A^0}$가 0.212에서 3.0 GeV/$c^2$ 사이에서 $2.8\times10^{-8}$에서 $386.5\times10^{-8}$ 사이로 변동하며, 약 1.0 GeV/$c^2$ 근처에서 가장 높은 감도를 보였다.
• BESIII의 새로운 상한선은 이전 측정치보다 약 한 단계 향상되었으며, 특히 1{-}2 GeV/$c^2$ 영역에서 두드러졌다.
• 체계적 불확실성은 철저히 평가되었으며, 덧셈 불확실성은 0.502에서 0.767 건으로, 곱셈 불확실성은 $m_{A^0}$에 따라 5.95%에서 8.96% 사이였다.
• 양성자 PID 불확실성은 4.0{-}5.73%로 추정되었으며, 제어 샘플을 사용하여 광자 탐지 효율 불확실성은 1% 이하로 측정되었다.
• 결과는 초보적이며, 예상 전부 데이터 샘플과 일치하는 콜라주 몬테카를로 샘플 기반으로 이루어졌으며, 전체 $J/\psi$ 데이터셋의 블라인드 해제가 진행 중이다.