[论文解读] Hunting down the X17 boson at the CERN SPS

E. Depero, Yuri Andreev+54 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 2

一句话总结

该论文提出了一种在CERN SPS的NA64实验中搜索X17规范玻色子的新实验设置，该玻色子是一种假设的、对质子不敏感的矢量玻色子，可能解释8Be和4He核跃迁中的异常现象。通过将真空衰变管道延长至18米，并利用气体追踪探测器以2%的精度重建e+e−对的不变质量，该方法可实现信号的明确识别。研究表明，约7×10¹¹当量靶上束流时间（EOT）即可在90%置信水平下覆盖全部X17参数空间（ε < 1.4×10⁻³），背景水平估计低于0.01。

ABSTRACT

Recently, the ATOMKI experiment has reported new evidence for the excess of $e^+ e^-$ events with a mass $\sim$17 MeV in the nuclear transitions of $^4$He, that they previously observed in measurements with $^8$Be. These observations could be explained by the existence of a new vector $X17$ boson. So far, the search for the decay $X17 ightarrow e^+ e^-$ with the NA64 experiment at the CERN SPS gave negative results. Here, we present a new technique that could be implemented in NA64 aiming to improve the sensitivity and to cover the remaining $X17$ parameter space. If a signal-like event is detected, an unambiguous observation is achieved by reconstructing the invariant mass of the $X17$ decay with the proposed method. To reach this goal an optimization of the $X17$ production target, as well as an efficient and accurate reconstruction of two close decay tracks, is required. A dedicated analysis of the available experimental data making use of the trackers information is presented. This method provides independent confirmation of the NA64 published results [Phys. Rev. D101, 071101 (2020)], validating the tracking procedure. The detailed Monte Carlo study of the proposed setup and the background estimate shows that the goal of the proposed search is feasible.

研究动机与目标

• 搜索X17玻色子，即一种假设的、对质子不敏感的规范玻色子，其存在可解释8Be和4He核跃迁中的异常现象。
• 提升对先前NA64结果尚未排除的X17玻色子剩余参数空间的探测灵敏度。
• 通过精确重建X17玻色子衰变产物e+e−的不变质量，实现对信号的无歧义识别。
• 利用2018年已有的数据验证追踪重建流程，为先前NA64结果提供独立确认。
• 证明在预计3个月束流时间下，可探测全部X17参数空间（ε < 1.4×10⁻³）的可行性。

提出的方法

• 将衰变真空管道从12米延长至18米，以确保X17 → e+e−衰变产生的两条衰变轨迹充分分离。
• 使用两个气体追踪探测器重建两个电子的轨迹，并在磁场作用下测量其动量。
• 结合电磁量能器中的能量沉积测量与动量重建，高精度确定e+e−对的能量。
• 在预期X17质量（17 MeV）周围应用10%的窗口，并要求两个电磁簇射之间最小分离距离为8厘米。
• 进行详细的蒙特卡洛模拟，以评估探测器响应和背景水平，包括γ穿刺和K0S的贡献。
• 利用2018年NA64可见模式运行的数据验证追踪重建效率，并证明新分析方法的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NA64实验是否能够实现足够的探测灵敏度，以覆盖先前搜索尚未排除的全部X17参数空间（ε < 1.4×10⁻³）？
• RQ2 所提出的18米真空管道与气体追踪器系统是否能够以2%的精度分辨X17 → e+e−衰变的不变质量，从而无歧义地识别信号？
• RQ3 新设置的预期背景水平（尤其是γ穿刺和K0S）是多少？是否可保持在0.01以下？
• RQ4 2018年数据中采用的基于追踪器的重建方法是否能为NA64结果提供独立确认，并验证新方法的可行性？
• RQ5 需要多少束流时间（以当量靶上束流时间计）才能在90%置信水平下覆盖全部X17参数空间？

主要发现

• 采用18米真空管道和气体追踪器的新设置，可实现对X17 → e+e−衰变的不变质量重建，精度达2%。
• 背景水平估计低于0.01，主要来自γ穿刺和K0S，新设置中预计无显著增加。
• 基于2018年数据的追踪器分析表明，X17衰变产物在所有考虑情景下的重建效率接近100%。
• 总共约需~7×10¹¹当量靶上束流时间（EOT）才能在90%置信水平下覆盖全部X17参数空间（ε < 1.4×10⁻³）。
• 具有V±A耦合的模型可在10天内被覆盖，因其允许的耦合强度较小。
• 对2018年数据的新分析虽未显著提升灵敏度，但为追踪流程提供了独立验证，并凸显了原设置的局限性。