[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文重新分析了 LEP 时期 Z⁰共振态衰变（1992–1995）的存档 ALEPH 数据，在 Z⁰ → b̄b + X 事例的正负号双μ子不变量质量谱中报告了一个 30.40 ± 0.46 GeV 的过量信号，自然宽度为 1.78 ± 1.14 GeV。该过量在局部显著性上接近 5σ，且在双电子通道中显示出一致但较弱的证据，提示可能存在一种新的共振态或标准模型之外的新物理。

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 This paper uses the data collected by the ALEPH experiment in the years 1992-1995, which have been archived to allow their use for physics analyses after the closure of the collaboration.

研究动机与目标

• 重新分析 1992–1995 年存档的 ALEPH 数据，以在 Z⁰ → b̄b + X 事例中搜索异常信号。
• 研究正负号双μ子与双电子不变量质量谱中是否存在窄宽度共振态。
• 在考虑背景建模与“他处寻找效应”（look-elsewhere effect）的前提下，评估任何观测到过量的统计显著性。
• 探讨一种新共振态衰变为轻子对的可能性，其可能暗示标准模型之外的新物理。

提出的方法

• 使用与信号本征拓扑结构 Z⁰ → b̄b + μ⁺μ⁻ 或 e⁺e⁻ 相匹配的事件选择标准，重建并分析了 ALEPH 的存档数据。
• 利用通过相同选择标准的正负号μ子-电子对事例对背景进行建模。
• 采用 RooFit/ROOT 进行无采样最大似然拟合，对双μ子采用布雷特-惠勒函数与高斯函数卷积，对双电子采用晶体球函数与高斯函数卷积，以考虑轫致辐射效应。
• 应用惩罚函数，基于探测器性能对高斯分量的分辨率参数进行约束。
• 采用多种方法计算显著性：基于不对称性的（Z_asym）、基于频率的（Z_freq,lee）以及贝叶斯方法（Z_Bi），并包含对“他处寻找效应”的校正。
• 对双μ子与双电子谱进行联合拟合，以检验是否存在共同的共振态，允许电子通道中因辐射效应导致的质量偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存档 ALEPH 数据中，Z⁰ → b̄b + X 事例的正负号双μ子不变量质量谱中是否存在统计显著的过量信号？
• RQ2 正负号双电子质量谱中是否也出现一致的过量信号，且与双μ子信号一致？
• RQ3 观测到的过量的不变量质量与自然宽度是多少？其显著性在不同背景建模方法下是否稳健？
• RQ4 该观测到的过量是否可由一种衰变为轻子对的新共振态解释？其在两个通道中的联合显著性如何？

主要发现

• 在 Z⁰ → b̄b + X 事例的正负号双μ子不变量质量谱中，观测到一个位于 30.40 ± 0.46 GeV 的共振态样过量信号。
• 该过量的自然宽度测量值为 1.78 ± 1.14 GeV，与窄共振态一致。
• 双μ子过量的局部显著性达到约 5σ（Z_asym），具体数值取决于所采用的背景模型。
• 在使用核密度背景估计法校正“他处寻找效应”后，显著性仍保持在约 3σ 左右（Z_freq,lee）。
• 贝叶斯显著性估计结果至少为 2.6σ（Z_Bi），表明对信号存在中等程度的证据。
• 在正负号双电子质量谱中观测到一个一致但较小的过量信号，其质量均值因轫致辐射而向较低能量方向偏移，且在联合拟合中与双μ子信号保持一致。