[论文解读] First indications of the existence of a 38 MeV light scalar boson

Eef van Beveren, George Rupp|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

该论文首次提出存在一个38 MeV的轻标量玻色子E(38)，其被提议通过${}^{3\!}P_0$机制介导夸克对的产生，并与量子色动力学中的禁闭有关。对BABAR实验中底夸克介子的轻子衰变数据的分析显示，在约38 MeV处的$e^+e^-$和$\mu^+\mu^-$不变质量分布中存在一致的过量信号，同时在76 MeV和114 MeV处也观察到信号，表明可能存在一个共振态及其副本，可能是一种轻标量胶球。

ABSTRACT

We present evidence for the existence of a light scalar particle that most probably couples exclusively to gluons and quarks. Theoretical and phenomenological arguments are presented to support the existence of a light scalar boson for confinement and quark-pair creation. Previously observed interference effects allow to set a narrow window for the scalar's mass and also for its flavor-mass-dependent coupling to quarks. Here, in order to find a direct signal indicating its production, we study published BABAR data on leptonic bottomonium decays. We observe a clear excess signal in the invariant-mass projections of electron-positron and muon-antimuon, which may be due to the emission of a so far unobserved scalar particle with a mass of about 38 MeV. In the process of our analysis, we also find an indication of the existence of a bottomonium-like hybrid state at about 10.061 GeV. Further signals might be interpreted as replicas of the light scalar, with masses roughly two and three times as large.

研究动机与目标

• 研究在强子衰变中是否存在一种介导夸克对产生的轻标量玻色子。
• 在现有的底夸克介子衰变BABAR数据中，识别质量约为38 MeV的标量粒子的实验信号。
• 检验在$e^+e^-$和$\mu^+\mu^-$不变质量谱中观察到的过量信号是否源于与禁闭相关的新型标量粒子。
• 探讨76 MeV和114 MeV处的38 MeV态的副本是否与标量场振荡的动力学模型一致。
• 在${}^{3\!}P_0$夸克对产生模型与强子谱中观测到的异常现象之间建立现象学联系。

提出的方法

• 分析已发表的BABAR实验数据，涉及$e^+e^- \to \pi^+\pi^- \Upsilon(1,2\,{}^{3\!}S_1) \to \pi^+\pi^- e^+e^-$和$\pi^+\pi^- \mu^+\mu^-$过程。
• 对$e^+e^-$和$\mu^+\mu^-$末态进行不变质量投影，以搜索异常增强。
• 将观测到的信号与具有$SO(4,2)$对称性并自发破缺为$SO(3,2)$的共形对称模型的理论预测进行比较。
• 利用${}^{3\!}P_0$夸克对产生模型估算一个味无关的质量标度$M \approx 30-40$ MeV，与观测到的38 MeV信号一致。
• 将$e^+e^-$和$\mu^+\mu^-$谱中干涉效应和缺失数据模式解释为质量约为38 MeV的标量粒子存在的证据。
• 在相同数据集中识别出约10.061 GeV处的$b\bar{b}g$混成态作为次要信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在底夸克介子衰变中$e^+e^-$和$\mu^+\mu^-$末态的不变质量谱中，是否存在质量约为38 MeV的新轻标量玻色子的证据？
• RQ2 在$\pi^+\pi^- \Upsilon(1\,{}^{3\!}S_1)$衰变中观测到的过量是否可由发射一个质量约为38 MeV的标量粒子来解释？
• RQ3 76 MeV和114 MeV处的信号是否代表了38 MeV态的共振副本，如标量场振荡的动力学模型所预测？
• RQ4 38 MeV的粒子是否与轻标量胶球一致，或是否为量子色动力学中禁闭的动力学表现？
• RQ5 在相同数据集中，能否确认约10.061 GeV处观测到的$b\bar{b}g$混成态为一个独立的共振态？

主要发现

• 在$e^+e^- \to \pi^+\pi^- \Upsilon(1\,{}^{3\!}S_1) \to \pi^+\pi^- e^+e^-$过程的$e^+e^-$不变质量分布中，约38 MeV处观察到明显的过量信号。
• 在相同过程的$\mu^+\mu^-$不变质量分布中也观察到类似的过量信号，峰值同样位于约38 MeV处。
• 在多个通道中观测到76 MeV和114 MeV处的信号，与38 MeV态的副本一致，表明可能存在谐波结构。
• 38 MeV信号被解释为一种轻标量胶球候选者，记为$E(38)$，其通过共形对称模型与禁闭相关联。
• 在10.061 GeV处指示出一个$b\bar{b}g$混成态，其显著性最多为2$\sigma$，基于同一数据集。
• 该信号在四个独立数据集（湮灭、干涉、$\mu^+\mu^-$和$e^+e^-$）中的一致性，使得随机涨落的可能性极低。