[논문 리뷰] X(16.7) Production in Electron-Positron Collision

Long-Bin Chen, Yi Liang외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 14.

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한 줄 요약

이 논문은 BESIII에서 $e^+e^-$ 충돌과 $J/\psi$ 붕괴를 통해 가상의 스핀-1 보손 X(16.7)를 탐색하는 것을 제안하며, 벡터 마이너스 상호작용을 사용하고 $X \to e^+e^-$ 붕괴 서명을 분석한다. BESIII에서 $e^+e^-$ 충돌 시 연간 약 6,000건의 측정 가능한 $X(16.7)$ 사건이 예측되나 배경이 상당히 크며, $J/\psi$ 붕괴에서는 단지 52건의 사건이 기대되지만, 검출기 스메어링 이후 신호 대 잡음 비율이 유망하다.

ABSTRACT

The anomaly found in the excited $^8 ext{Be}$ nuclear transition to its ground state is attributed to a spin-1 gauge boson $X(16.7)$. To hunt for this boson, we propose two traps: $e^+e^- o X\gamma$ and $J/\psi o X\gamma$, both following with $X o e^+e^-$ decay. We adopt the vector minus interaction hypothesis. Analysis on the $X(16.7)$ decay length, production rates, differential distribution with respect to the $e^+e^-$ invariant-mass spectrum, and the signal-to-noise ratios (SNR) after the smearing at BESIII detector are discussed in detail. Given the coupling strength of $X$ to vector/axial-vector currents $g_f^{v/a}\sim10^{-3}$ at BESIII: (1) there would be about $6000$ $X$ measurable events per year in electron-positron collision, yet with a large background after smearing, (2) while in $J/\psi$ decays, we find that the axial-vector current may come into play, though merely 52 events may appear, the SNR are inspiring even after smearing.

연구 동기 및 목표

• 가장자리 $^8$Be 비정상 현상의 매개체로 제안된 가령의 X(16.7) 보손의 생성 및 탐색을 조사하기 위해.
• 예측된 결합 강도를 고려할 때 BESIII에서 전자-양전자 충돌에서 X(16.7)를 탐지할 수 있는지 가능성 평가하기 위해.
• $J/\psi \to X\gamma$ 붕괴를 대체 생성 채널로 탐색하여, 검출기 스메어링 이후의 신호 대 잡음 비율 평가하기 위해.
• 검출기 해상도(스메어링)가 두 생성 모드 모두에서 관측 가능한 신호 수율과 탐지 가능성에 미치는 영향 분석하기 위해.

제안 방법

• 벡터 마이너스 상호작용 가설을 채택하여, $X(16.7)$의 생성을 $e^+e^- \to X\gamma$ 및 $J/\psi \to X\gamma$ 과정으로 모델링한다.
• 붕괴 채널 $X \to e^+e^-$ 를 가정하여, $e^+e^-$ 쌍의 인variant 질량을 통해 X 보손을 재구성한다.
• 생산 단면적, $e^+e^-$ 인variant 질량 스펙트럼의 미분 분포, 붕괴 길이에 대한 이론적 계산을 수행한다.
• BESIII에서 검출기 해상도 영향(스메어링)을 시뮬레이션한 후, 신호 대 잡음 비율(SNR)을 계산한다.
• 사건 수율과 배경 오염을 추정하기 위해 결합 강도 $g_f^{v/a} \sim 10^{-3}$ 를 사용한다.
• 벡터 및 아кси얼-벡터 전류 기여를 모두 포함하며, 특히 $J/\psi$ 붕괴에서의 역할을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BESIII에서 $e^+e^-$ 충돌 시 연간 측정 가능한 $X(16.7)$ 사건 수는 얼마이며, 배경은 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 낮은 사건 수에도 불구하고 $J/\psi \to X\gamma$ 붕괴가 $X(16.7)$의 타당한 대체 생성 모드가 될 수 있는가?
• RQ3 검출기 스메어링 영향이 $e^+e^-$ 및 $J/\psi$ 채널 모두에서 $X(16.7)$ 탐지의 신호 대 잡음 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 축성-벡터 전류 기여가 $J/\psi$ 붕괴에서 $X(16.7)$ 생성에 얼마나 기여하는가, 그리고 이는 SNR에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 $X(16.7)$ 붕괴 길이가 BESIII에서의 탐지 가능성 결정에 있어 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 결합 강도 $g_f^{v/a} \sim 10^{-3}$ 를 가정할 때, BESIII에서 $e^+e^-$ 충돌에서 연간 약 6,000건의 $X(16.7)$ 사건이 기대된다.
• 검출기 스메어링 이후에도 큰 배경이 존재하지만, $e^+e^-$ 생성 채널에서의 신호 대 잡음 비율은 여전히 측정 가능하다.
• $J/\psi \to X\gamma$ 붕괴에서는 약 52건의 사건만 예측되나, 스메어링 영향 이후에도 여전히 유망한 신호 대 잡음 비율을 유지한다.
• 축성-벡터 전류 기여는 $J/\psi$ 붕괴 과정에서 비소외할 수 없는 역할을 하며, 낮은 사건 수에도 불구하고 탐지 가능성 향상에 기여한다.
• $X(16.7)$ 보손의 붕괴 길이는 가정된 결합 모델 하에서 BESIII 검출기에서 관측 가능한 서명과 일치한다.
• 벡터 마이너스 상호작용 모델은 $e^+e^-$ 및 $J/\psi$ 생성 모드 모두에서 $X(16.7)$를 탐색하는 데 실현 가능한 이론적 프레임워크를 제공한다.