[論文レビュー] Observation of an excess at 30 GeV in the opposite sign di-muon spectra of ${ m Z}^{0} o b\overline{ b} + { m X}$ events recorded by the ALEPH experiment at LEP

Arno Heister|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、1992–1995年のLEPにおけるZ⁰共鳴状態崩壊のアーカイブAЛЕフデータを再分析し、Z⁰ → b̄b + X イベントにおける反符号二ミュオンの不変質量スペクトルに、30.40 ± 0.46 GeVの過剰が観測された。自然幅は1.78 ± 1.14 GeVであり、局所的有意度は約5σに達する。電子対チャンネルでも類似したがやや弱い証拠が観測され、新しい共鳴状態または標準模型を超える新しい物理現象の可能性を示唆している。

ABSTRACT

The re-analysis of the archived data recorded at the ${ m Z}^{0}$ resonance by the ALEPH experiment at LEP during the years 1992-1995 shows an excess in the opposite sign di-muon mass spectra at 30.40 $\pm$ 0.46 GeV in events containing b quarks. The excess has a natural width of 1.78 $\pm$ 1.14 GeV. The di-muon excess has a local significance around $5\,σ$ ($Z_{ m asym}$), depending on the background model used. The significances for background models based on a kernel density approximation stay close to $3\,σ$ ($Z_{ m freq,\,lee}$), when including a look elsewhere effect. Another method to obtain a significance value results in at least $2.6\,σ$ ($Z_{ m Bi}$). A compatible, but smaller excess is visible in the opposite di-electron mass spectrum as well. This paper uses the data collected by the ALEPH experiment in the years 1992-1995, which have been archived to allow their use for physics analyses after the closure of the collaboration.

研究の動機と目的

• 1992–1995年のアーカイブAЛЕフデータを再分析し、Z⁰ → b̄b + X イベントにおける異常な信号の有無を調査すること。
• 反符号二ミュオンおよび二電子の不変質量スペクトルに、狭い共鳴状態が存在するかを調査すること。
• バックグラウンドモデル化と「他の場所を調べる効果」を考慮した上で、観測された過剰の統計的有意度を評価すること。
• 新しい共鳴状態がレプトン対に崩壊する可能性を検討し、標準模型を超える新しい物理現象の兆候となるかを検討すること。

提案手法

• 信号のトポロジーZ⁰ → b̄b + μ⁺μ⁻ または e⁺e⁻ に一致する選択基準を用いて、アーカイブAЛЕフデータを再構築および分析した。
• 同一の選択基準を満たす反符号ミュオン-電子ペアを用いてバックグラウンドをモデル化した。
• RooFit/ROOTを用いた非バッチド最尤フィットを実施し、二ミュオンにはガウシアン関数で畳み込みされたブライト＝ウィグナー関数、二電子にはガウシアン関数で畳み込まれたクリスタルボール関数を用いて、ブレムストラール放出の影響を考慮した。
• 検出器性能に基づいて、ガウシアン成分の分解能パラメータを制約するペナルティ関数を適用した。
• 複数の手法を用いて有意度を計算した：非対称性に基づく（Z_asym）、周波数に基づく（Z_freq,lee）、ベイズ的（Z_Bi）で、他の場所を調べる効果の補正を含めた。
• 同時に二ミュオンおよび二電子スペクトルをフィットし、共通の共鳴状態の存在を検証した。電子チャンネルでは放射効果に起因する質量シフトを許容した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アーカイブAЛЕフデータにおけるZ⁰ → b̄b + X イベントの反符号二ミュオン不変質量スペクトルに、統計的に有意な過剰が存在するか？
• RQ2 反符号二電子質量スペクトルにも類似の過剰が観測され、二ミュオン信号と整合的か？
• RQ3 観測された過剰の不変質量および自然幅は何か？また、バックグラウンドモデル化の異なるアプローチに対して、その有意度はどれほど頑健か？
• RQ4 観測された過剰は、レプトン対に崩壊する新しい共鳴状態によって説明可能か？両チャンネルの統合有意度はどの程度か？

主な発見

• Z⁰ → b̄b + X イベントにおける反符号二ミュオン不変質量スペクトルに、30.40 ± 0.46 GeVの共鳴的過剰が観測された。
• 過剰の自然幅は1.78 ± 1.14 GeVと測定され、狭い共鳴状態と整合的である。
• 二ミュオン過剰の局所的有意度は、使用するバックグラウンドモデルに依存するが、約5σ（Z_asym）に達する。
• カーネル密度推定法によるバックグラウンド推定を用いて「他の場所を調べる効果」を補正した結果、有意度は3σ前後（Z_freq,lee）に保たれた。
• ベイズ的有意度推定では、少なくとも2.6σ（Z_Bi）の有意度が得られ、信号の存在に中程度の証拠が得られた。
• 二電子質量スペクトルには、ブレムストラール放出に起因して質量が低めにシフトしたが、類似したがやや弱い過剰が観測され、同時フィットにおいて二ミュオン信号と整合的であった。