[論文レビュー] Search for a Narrow Resonance in e+e- to Four Lepton Final States

The BABAR Collaboration, B. Aubert|ArXiv.org|Aug 19, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、BaBar実験で得られた536 fb$^{-1}$のデータを用いて、$e^+e^-$衝突における四レプトンへ崩壊する狭い$W'$共鳴状態の探索を報告する。有意な信号は観測されず、最終状態に応じて15–70 abの範囲で$e^+e^- \to W'W'$断面積の90%信頼区間上限が得られ、ゲージ不変性を保つ隠れたセクター理論における混合項およびダーク結合に対する厳密な制約が得られた。

ABSTRACT

Motivated by recent models proposing a hidden sector with $\sim$GeV scale force carriers, we present a search for a narrow dilepton resonance in 4 lepton final states using $536fb^{-1}$ collected by the BaBar detector. We search for the reaction, $e^+e^- o W^\prime W^\prime o(l^+l^-)(l^{\prime+}l^{\prime-})$, where the leptons carry the full 4-momentum and the two dilepton pair invariant masses are equal. We do not observe a significant signal and we set 90% upper limits of $σ(e^+e^- o W^\prime W^\prime o(e^+e^-)(e^+e^-))

研究の動機と目的

• ゲージ不変性を保つ隠れたセクターがGeVスケールに存在するモデルを動機として、$e^+e^-$衝突における四レプトンへ崩壊する狭い$W'$共鳴状態の探索。
• 二重レプトン対へ崩壊する$W'$共鳴状態を通じて、標準模型とダークセクターの間の結合定数を制約すること。
• さまざまな四レプトン最終状態における$e^+e^- \to W'W'$生成断面積の上限を設定すること。
• 標準模型－ダークセクター混合パラメータ$\varepsilon$とダーク結合$\alpha_D$の積に対する制約を導出すること。
• 特に非アーベル的ヒッグス化されたダークセクターを含む隠れたセクターモデルの妥当性を、ダークフォトン$A'$の観点から検証すること。

提案手法

• BaBar検出器が収集した536 fb$^{-1}$のデータを用い、$\Upsilon(4S)$共鳴状態付近の中心系エネルギーでの$e^+e^-$衝突を分析する。
• $e^+e^- \to W'W' \to (l^+l^-)(l'^+l'^-)$の探索を行い、両方の二重レプトン対のインバリアント質量が等しいことを条件として、狭い共鳴状態を同定する。
• 四レプトンの完全な4運動量を再構成するためのイベント選別基準を適用し、$e^+e^-e^+e^-$、$e^+e^-\mu^+\mu^-$、$\mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$の最終状態に焦点を当てる。
• レプトンユニバーサルティの仮定の下で、3つの最終状態の上限をプロファイル尤度関数を用いて統合する。
• 式(6)および(7)を用いて$W'$生成断面積の理論的予測を計算し、$\varepsilon^2\alpha_D$または$\varepsilon^2\alpha_D/m_{A'}^4$に依存する。
• 観測された上限と理論的予測を比較することで、$\varepsilon^2\alpha_D$および$\varepsilon^2\alpha_D/m_{A'}^4$の90%信頼区間上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaBar実験における$e^+e^-$衝突の四レプトン最終状態に、狭い$W'$共鳴状態が存在するか？
• RQ2 さまざまな四レプトン最終状態における$e^+e^- \to W'W'$断面積の上限は何か？
• RQ3 観測された上限は、隠れたセクター理論における混合パラメータ$\varepsilon$およびダーク結合$\alpha_D$をどのように制約するか？
• RQ4 この探索によって除外される$W'$質量および結合パラメータ空間の領域はどこか？
• RQ5 質量が1.0 GeV/$c^2$を超えるダークフォトン$A'$の好ましいパラメータ領域を、このデータは除外できるか？

主な発見

• 四レプトン最終状態において有意な信号は観測されず、$e^+e^- \to W'W'$断面積の90%信頼区間上限が得られた。
• $e^+e^- \to W'W' \to e^+e^-e^+e^-$の上限は、$W'$質量が0.24から5.3 GeV/$c^2$の範囲で$< (15-70)\,\text{ab}$である。
• $e^+e^- \to W'W' \to e^+e^-\mu^+\mu^-$の上限は、同じ質量範囲で$< (15-40)\,\text{ab}$である。
• $e^+e^- \to W'W' \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$の上限は$< (11-17)\,\text{ab}$であり、統計的精度が低いため不確実性が増している。
• レプトンユニバーサルティの仮定の下で、組み合わせた上限は$e^+e^- \to W'W' \to l^+l^-l'^+l'^-$に対して$< (25-60)\,\text{ab}$である。
• レプトンユニバーサルティの仮定の下で、$\varepsilon^2\alpha_D > 2 \times 10^{-10}$ および $\varepsilon^2\alpha_D/m_{A'}^4 > 2 \times 10^{-14}$ となるパラメータ領域が、$W'$質量の大部分の範囲で除外された。特に、$A'$質量が1.0 GeV/$c^2$を超える領域の好ましいパラメータ領域が除外された。