[论文解读] A possible interpretation for $X(6900)$ observed in four-muon final state by LHCb -- A light Higgs-like boson?

Jian-Wen Zhu, Xing-Dao Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用 15

一句话总结

本文提出，LHCb在6.9 GeV处观测到的$X(6900)$共振态并非四 quark态，而是一种具有$0^{++}$量子数的基本BSM Higgs样玻色子。通过有效场论框架，作者对它与胶子和粲夸克的耦合进行建模，表明预测的$pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$截面（约10 pb）和不变质量分布与实验数据相符，支持低于10 GeV的新物理尺度。

ABSTRACT

A peak structure of $J/ψ$ pair production around $6.9~{ m GeV}$ was observed and analyzed by the LHCb collaboration using the Run I and II data of LHC. How to understand this peak arouses enthusiastic discussions among both theorists and experimentalists of high energy physics, because this discovery might hint something new. Overwhelming works on this topic tend to attribute the peak as a four-quark state: tetraquark or molecule. Instead, we suggest that this peak is corresponding to a fundamental Higgs-like boson with mass about $6.9~{ m GeV}$ which is advocated by a BSM effective theory. We present a detailed analysis on both signal and SM background, including integrated cross sections and invariant mass distributions of the final-state $J/ψ$ pair. Our numerical results are well in coincidence with the experimental data, as postulating the resonance observed by LHCb to be a BSM $0^{++}$ scalar. Therefore, the peak at $M_{ ext{di-}J/ψ} \sim 6.9~{ m GeV}$ might be a hint of new physics beyond the SM whose scale is not as large as mostly expected by high energy physicists. More further works are urgently needed in both experimental and theoretical aspects to validate or negate this assumption.

研究动机与目标

• 探索LHCb在$J/\psi$对末态中观测到的$X(6900)$共振态的替代解释。
• 通过提出一种基本的BSM Higgs样标量玻色子，挑战当前关于四 quark态或分子态的解释。
• 检验质量约为6.9 GeV的$0^{++}$ Higgs样玻色子是否能解释观测到的$pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$截面和不变质量分布。
• 利用LHC Run I和II的实验数据，对这类BSM Higgs样玻色子的参数空间进行约束。
• 推动对$X(6900)$共振态作为低能标新物理潜在门户的进一步实验和理论研究。

提出的方法

• 采用有效场论框架，引入一个新的$0^{++}$标量玻色子$X(6900)$，其质量为$m_X = 6.886$ GeV。
• 假设耦合常数$g_{ggX}$和$g_{c\bar{c}X}$的演化方式与标准模型Higgs玻色子类似，基准值为$g_{ggX} = 0.06$，$g_{c\bar{c}X} = 0.18$。
• 使用包含SM背景与$X(6900)$信号之间干涉的矩阵元，计算$\sqrt{s} = 7$、$8$和$13$ TeV下的$pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$总截面。
• 在振幅平方中包含SM振幅与$X(6900)$振幅之间的干涉效应，以评估信号的纯净度。
• 应用实验上的选区切割：$p_T^{J/\psi} < 10.0$ GeV，$2.0 < y_{J/\psi} < 4.5$，以匹配LHCb的分析。
• 将理论预测与LHCb在积分截面和不变质量分布上的数据进行比较，以验证该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 6.9 GeV处的$X(6900)$共振态能否被解释为基本的BSM Higgs样标量玻色子，而非四夸克态？
• RQ2 为重现观测到的$pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$截面，$0^{++}$标量玻色子与胶子和粲夸克的耦合强度应为何值？
• RQ3 SM背景与$X(6900)$信号在不变质量分布中的干涉效应有多显著？
• RQ4 $X(6900)$信号的预测截面是否可在当前亮度下由LHC探测到？
• RQ5 LHCb数据对这类BSM Higgs样玻色子的参数空间施加了何种约束？

主要发现

• 通过$X(6900)$共振态实现的$pp \to J/\psi J/\psi \to 4\mu$总截面在$\sqrt{s} = 13$ TeV下预测为$\sim$105.36 fb，与实验数据一致。
• 在$\sqrt{s} = 13$ TeV下，积分截面为$\sigma_{\hat{S}} = 98.39$ fb，而包含干涉效应时为$\sigma_S = 105.36$ fb，与观测到的信号高度一致。
• SM背景与$X(6900)$信号之间的干涉远小于信号贡献，表明共振峰稳定且未被抹平。
• 实验数据对$g_{ggX}$和$g_{c\bar{c}X}$的参数空间施加了约束，仅图2中黑线所围区域被允许。
• 该模型预测在$\sqrt{s} = 7$、$8$和$13$ TeV下，信号截面为$\mathcal{O}(10~\text{pb})$量级，处于当前LHC探测器的探测能力范围内。
• 包含信号与背景的$J/\psi$对不变质量分布与LHCb数据高度吻合，支持$0^{++}$ Higgs样玻色子的假设。