[论文解读] Search for low-mass Higgs and dark photons at BESIII

V. Prasad, Haibo Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文展示了BESIII利用$J/\psi$和$\psi(3770)$的辐射衰变，通过初态辐射和二轻子末态，对低质量希格斯粒子和暗光子的搜索。未观测到信号；该研究在$0.212$至$3.0$ GeV/$c^2$的$m_{A^0}$范围内，对产物分支分数$\mathcal{B}(J/\psi\to\gamma A^0)\times\mathcal{B}(A^0\to\mu^+\mu^-)$设定了新的、严格的90%置信水平上限，范围为$(2.8{-}386.5)\times10^{-8}$，相较于先前的限制提高了整整一个数量级。

ABSTRACT

Many extensions of the Standard Model introduce a new type of weak-interacting degrees of freedom. These models are motivated by the results of recent experimental anomalies. Typical models, such as Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model and Light Hidden Dark-sector Model, introduce the possibilities of low-mass Higgs and dark bosons. The masses of such particles are expected to be few GeV and thus making them accessible at BESIII experiment, an $e^+e^-$ collider experiment running at tau-charm region. This report summarizes the recent results of low-mass Higgs and dark bosons searches at BESIII.

研究动机与目标

• 在BESIII的$e^+e^-$碰撞中搜索低质量希格斯玻色子（$A^0$）和暗光子（$\gamma'$），其动机来自NMSSM和隐藏暗物质区模型等标准模型的扩展。
• 探测质量低于几GeV的弱相互作用、轻的新物理粒子，这些粒子在$J/\psi$和$\psi(3770)$共振态下可被探测。
• 改进这些新粒子与标准模型费米子耦合的现有排除限制，特别是在$\mu^+\mu^-$末态中。
• 约束NMSSM和轻量隐藏暗物质区模型等模型中的参数空间，这些粒子可能解释近期的实验异常。

提出的方法

• 利用在$\sqrt{s} \approx m_{J/\psi}$和$m_{\psi(3770)}$能量下的$e^+e^-$碰撞中的初态辐射（ISR），产生一个光子和一个虚拟的$\gamma'$或$A^0$。
• 采用未标记的ISR光子方法，要求ISR光子位于EMC探测器接受度之外，以抑制非ISR背景。
• 执行单约束（1C）运动学拟合，假设缺失粒子轨迹质量为零，以提高二轻子系统的不变质量分辨率。
• 使用包含$J/\psi\to\mu^+\mu^-$、$\rho$、$f_2(1270)$、$f_0(1710)$和$f_4(2050)$共振态的混合蒙特卡罗样本，以模拟背景。
• 通过高斯展宽卷积系统不确定度，进行负对数似然（NLL）扫描，以在90%置信水平下设定上限。
• 应用粒子识别（PID）截断条件，并施加空间约束（沿束流方向10 cm以内，横向1 cm以内），以抑制与束流相关的背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$0.212{-}3.0$ GeV/$c^2$质量范围内，对低质量CP奇宇称希格斯玻色子的产物分支分数$\mathcal{B}(J/\psi\to\gamma A^0)\times\mathcal{B}(A^0\to\mu^+\mu^-)$的排除限制是什么？
• RQ2 BESIII结果如何在低质量希格斯粒子与暗光子的搜索中，相较于BABAR、CLEO和CMS的先前限制得到改进？
• RQ3 BESIII实验在$\psi(3770)$数据中，对通过$e^+e^-\to\gamma_{\rm ISR}\gamma'$随后$\gamma'\to\mu^+\mu^-$过程产生暗光子的灵敏度如何？
• RQ4 所观测到的限制在多大程度上能约束NMSSM和轻量隐藏暗物质区模型的参数空间？
• RQ5 系统不确定度——特别是重建效率、分辨率和PID——如何影响最终上限的确定？

主要发现

• 在低质量希格斯粒子或暗光子搜索的二μ子不变质量谱中，未观测到窄共振态的证据。
• 在$0.212$至$3.0$ GeV/$c^2$的$m_{A^0}$范围内，$\mathcal{B}(J/\psi\to\gamma A^0)\times\mathcal{B}(A^0\to\mu^+\mu^-)$的90%置信水平上限范围为$2.8\times10^{-8}$至$386.5\times10^{-8}$，在约1.0 GeV/$c^2$附近灵敏度最高。
• 新的BESIII限制相较于先前测量提高了约一个数量级，尤其在$1{-}2$ GeV/$c^2$区域。
• 系统不确定度经过仔细评估，加法不确定度范围为0.502至0.767事件，乘法不确定度范围为5.95%至8.96%，具体取决于$m_{A^0}$。
• μ子PID不确定度估计为$4.0{-}5.73\%$，光子探测效率不确定度通过控制样本测量为小于$1\%$。
• 结果为初步结果，基于与预期完整数据样本匹配的混合蒙特卡罗样本，完整$J/\psi$数据集的去盲工作尚待进行。