[论文解读] 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 11

一句话总结

本文利用 BaBar 实验获得的 536 fb⁻¹ 数据，研究了在 e⁺e⁻ 碰撞中产生窄宽度 W'共振态并衰变为四轻子的信号。未观测到显著信号，因此对 e⁺e⁻ → W'W' 产生截面在 15–70 ab 范围内（取决于末态）给出了 90% 置信度上限，并对隐藏 sector 模型中的混合参数与暗耦合施加了严格约束。

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^-))

研究动机与目标

• 在 GeV 能量尺度的隐藏 sector 模型背景下，研究 e⁺e⁻ 碰撞中窄宽度 W'共振态衰变为四轻子的信号。
• 通过衰变为轻子对的 W' 共振态，约束标准模型与暗 sector 之间的耦合。
• 对不同四轻子末态的 e⁺e⁻ → W'W' 产生截面设定上限。
• 推导标准模型-暗 sector 混合参数 ε 与暗耦合 α_D 乘积的约束。
• 在非阿贝尔 Higgs 化暗 sector 的背景下，检验包含暗光子 A' 的隐藏 sector 模型的可行性。

提出的方法

• 在接近 Υ(4S) 共振态的质心系能量下分析 e⁺e⁻ 碰撞，使用 BaBar 探测器收集的 536 fb⁻¹ 数据。
• 寻找 e⁺e⁻ → W'W' → (l⁺l⁻)(l'⁺l'⁻) 过程，要求两个轻子对具有相等的不变质量以识别窄宽度共振态。
• 应用事件选择标准，完整重建四轻子的四momentum，重点关注 e⁺e⁻e⁺e⁻、e⁺e⁻μ⁺μ⁻ 和 μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ 末态。
• 在轻子普适性假设下，使用轮廓似然函数将三种末态的上限进行联合分析。
• 利用公式 (6) 和 (7) 计算 W' 产生的理论截面，其依赖于 ε²α_D 或 ε²α_D/m_A'⁴。
• 通过将观测到的上限与理论预测进行比较，推导出 ε²α_D 和 ε²α_D/m_A'⁴ 的 90% 置信度上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 BaBar 实验的 e⁺e⁻ 碰撞中，四轻子末态是否观测到窄宽度 W' 共振态？
• RQ2 不同四轻子末态的 e⁺e⁻ → W'W' 截面的上限是多少？
• RQ3 观测到的限制对隐藏 sector 模型中混合参数 ε 和暗耦合 α_D 的约束如何？
• RQ4 该搜索排除了 W' 质量与耦合参数空间的哪些区域？
• RQ5 数据能否排除质量高于 1.0 GeV/c² 的暗光子 A' 的首选参数区域？

主要发现

• 在四轻子末态中未观测到显著信号，因此对 e⁺e⁻ → W'W' 截面给出了 90% 置信度上限。
• 对于 e⁺e⁻ → W'W' → e⁺e⁻e⁺e⁻ 的截面上限为 < (15–70) ab，覆盖 W' 质量从 0.24 至 5.3 GeV/c² 的范围。
• 对于 e⁺e⁻ → W'W' → e⁺e⁻μ⁺μ⁻ 的截面上限为 < (15–40) ab，同样覆盖上述质量范围。
• 对于 e⁺e⁻ → W'W' → μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ 的截面上限为 < (11–17) ab，由于统计量较低导致不确定性增大。
• 在轻子普适性假设下，联合上限为 < (25–60) ab，适用于 e⁺e⁻ → W'W' → l⁺l⁻l'⁺l'⁻。
• 该分析排除了 ε²α_D > 2 × 10⁻¹⁰（低 A' 质量）和 ε²α_D/m_A'⁴ > 2 × 10⁻¹⁴（高 A' 质量）的参数区域，覆盖了大部分 W' 质量范围，排除了 A' 质量高于 1.0 GeV/c² 的首选参数区域。