[论文解读] Physical interpretation of the anomalous Cherenkov rings observed with the DELPHI detector

V. Perepelitsa, T. Ekelöf+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文提出，DELPHI RICH探测器中观测到的异常切伦科夫环——其半径超过超相对论粒子的预期值——源于超光速的快子。通过在液态和气态辐射体中对环半径与动量进行运动学拟合，作者识别出两个独立的快子质量峰，分别为0.29±0.01 GeV/c²和4.6±0.2 GeV/c²，液态与气态辐射体测量结果之间具有强一致性，支持其非背景起源。

ABSTRACT

The results of a search with the DELPHI Barrel RICH for anomalous Cherenkov rings having radii greater than those produced by ultrarelativistic particles were reported in our previous paper [1]. The search was based on the data collected by the DELPHI Collaboration at CERN during the LEP1 and LEP2 periods. A detailed study of background sources capable of producing apparently anomalous rings has been done; it indicated that the background hypothesis has a low probability ($10^{-3}$ or less). An additional strong argument against the background hypothesis was provided by the observation of a high degree of correlation between anomalous ring radii in the liquid and gaseous radiators in the selected events.The results obtained are interpreted in this paper in terms of observation of faster-than-light particles (tachyons). In the framework of this interpretation two peaks in the tachyon mass parameter distribution are observed, at $(0.29 \pm 0.01)$~GeV/c$^2$ and $(4.6 \pm 0.2)$~GeV/c$^2$. This work has been performed by the authors following the rules for external access to the DELPHI archived data, as established in http://delphiwww.cern.ch/delsec/finalrules/FINALrules011203.pdf The opinions, findings and conclusions expressed in this material are those of the authors alone and do not reflect in any way the views of the DELPHI Collaboration.

研究动机与目标

• 研究DELPHI桶部RICH探测器中异常切伦科夫环的物理起源，这些环的半径超过超相对论粒子的预期值。
• 排除背景源作为这些环的成因，鉴于其概率极低（≤10⁻³）且在不同辐射体类型间缺乏一致性。
• 探讨这些环可能源于超光速粒子（快子）的假设，且该假设在特定静止参考系中与相对论因果律一致。
• 通过在液态和气态辐射体中对环半径和动量测量进行运动学拟合，确定快子质量参数的分布。
• 通过分析两种辐射体中环半径的相关性，验证快子解释，结果显示高度一致性。

提出的方法

• 对具有异常环的事件进行运动学拟合，使用约束方程以确保能量-动量守恒及快子的切伦科夫角关系。
• 应用快子切伦科夫公式 cosθc = 1/(nβ)，其中快子的 β > 1，以建立环半径与快子速度及折射率之间的关系。
• 采用两种辐射体类型——液态C₆F₁₄（n=1.273）和气态C₅F₁₂（n=1.00194），以交叉验证环半径测量结果并减少系统偏差。
• 在拟合过程中引入三种拓扑结构（1a、1b、2），每种结构具有不同的运动学约束，涉及快子动量、能量及ISR光子贡献。
• 结合dE/dx测量和费米平台修正，评估快子速度并检验其与快子假说的一致性。
• 使用约束方程（A1.1–A1.7，A2.1–A2.6，A3.1–A3.2）求解未知量，如快子质量参数μ、能量和动量，同时强制满足动量和能量守恒。

实验结果

研究问题

• RQ1 异常切伦科夫环（其半径超过超相对论粒子的预期值）是否可由DELPHI探测器中已知的背景源解释？
• RQ2 在液态和气态辐射体中观测到的环半径之间是否存在物理关联，可排除随机背景涨落的可能性？
• RQ3 事件的运动学约束是否支持存在具有特定质量参数的超光速粒子（快子）？
• RQ4 通过在两种辐射体类型中一致拟合，推断出导致异常环的快子质量参数为何？
• RQ5 快子解释是否与在特定静止参考系中相对论因果律及能量-动量守恒一致？

主要发现

• 异常环的背景假说概率为10⁻³或更低，表明其随机或仪器起源的可能性极低。
• 液态与气态辐射体中异常环半径之间存在高度相关性，强烈支持其具有真实的物理起源而非背景涨落。
• 在快子质量参数分布中观测到两个显著峰，分别位于0.29±0.01 GeV/c²和4.6±0.2 GeV/c²，暗示存在两组快子。
• 运动学拟合程序成功利用切伦科夫环半径和动量测量，约束了快子的动量、能量和质量参数。
• 在两种辐射体类型及多种事件拓扑结构下结果的一致性，增强了快子假说相对于其他解释的可信度。
• 作者得出结论：观测数据最可能被解释为快子存在的证据，但明确指出这些发现不代表DELPHI合作组的立场。