[论文解读] X(16.7) Production in Electron-Positron Collision

Long-Bin Chen, Yi Liang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2016

Scientific Research and Discoveries参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出通过 $e^+e^-$ 碰撞和 $J/\psi$ 衰变搜索假设的自旋-1玻色子 X(16.7)，采用矢量减相互作用并分析衰变信号 $X \to e^+e^-$。在 BESIII 实验中，预计每年在 $e^+e^-$ 碰撞中可探测到约 6,000 个可测量的 $X(16.7)$ 事件，尽管本底显著；在 $J/\psi$ 衰变中，仅预期有 52 个事件，但经过探测器展宽后信号与噪声比仍具前景。

ABSTRACT

The anomaly found in the excited $^8 ext{Be}$ nuclear transition to its ground state is attributed to a spin-1 gauge boson $X(16.7)$. To hunt for this boson, we propose two traps: $e^+e^- o X\gamma$ and $J/\psi o X\gamma$, both following with $X o e^+e^-$ decay. We adopt the vector minus interaction hypothesis. Analysis on the $X(16.7)$ decay length, production rates, differential distribution with respect to the $e^+e^-$ invariant-mass spectrum, and the signal-to-noise ratios (SNR) after the smearing at BESIII detector are discussed in detail. Given the coupling strength of $X$ to vector/axial-vector currents $g_f^{v/a}\sim10^{-3}$ at BESIII: (1) there would be about $6000$ $X$ measurable events per year in electron-positron collision, yet with a large background after smearing, (2) while in $J/\psi$ decays, we find that the axial-vector current may come into play, though merely 52 events may appear, the SNR are inspiring even after smearing.

研究动机与目标

• 研究假设的 X(16.7) 玻色子的产生与探测，该玻色子被提议为 $^8$Be 异常的媒介粒子。
• 评估在 BESIII 中通过电子-正电子碰撞探测 X(16.7) 的可行性，基于其预测的耦合强度。
• 探索 $J/\psi \to X\gamma$ 衰变为 X(16.7) 的替代产生通道，评估探测器展宽后的信号与噪声比。
• 分析探测器分辨率（展宽）对两种产生模式下可观测信号率和可探测性的影响。

提出的方法

• 采用矢量减相互作用假说，该文对 $X(16.7)$ 在 $e^+e^- \to X\gamma$ 和 $J/\psi \to X\gamma$ 过程中的产生进行建模。
• 假设衰变道为 $X \to e^+e^-$，从而可通过 $e^+e^-$ 对的不变质量重建 X 玻色子。
• 对产生截面、$e^+e^-$ 不变量质量谱的微分分布以及衰变长度进行理论计算。
• 在 BESIII 探测器分辨率效应（展宽）模拟后，计算信号与噪声比（SNR）。
• 使用耦合强度 $g_f^{v/a} \sim 10^{-3}$ 来估算事件率和本底污染。
• 分析包括矢量和轴矢量当前贡献，特别评估其在 $J/\psi$ 衰变中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 BESIII 的 $e^+e^-$ 碰撞中，每年可探测到的 $X(16.7)$ 事件数量预期是多少？本底如何影响可观测性？
• RQ2 考虑到事件产额较低，$J/\psi \to X\gamma$ 衰变能否作为 X(16.7) 的可行替代产生模式？
• RQ3 探测器展宽效应如何影响 $X(16.7)$ 在 $e^+e^-$ 和 $J/\psi$ 通道中的信号与噪声比？
• RQ4 轴矢量流在 $J/\psi$ 衰变中对 X(16.7) 产生的贡献有多大？这如何影响信号与噪声比？
• RQ5 X(16.7) 衰变长度在确定其在 BESIII 中可探测性方面具有何种重要性？

主要发现

• 在假设 $g_f^{v/a} \sim 10^{-3}$ 耦合强度下，预计每年在 BESIII 的 $e^+e^-$ 碰撞中可产生约 6,000 个 $X(16.7)$ 事件。
• 尽管经过探测器展宽后本底较大，$e^+e^-$ 产生通道的信号与噪声比仍保持可测量水平。
• 在 $J/\psi \to X\gamma$ 衰变中，仅预测约 52 个事件，但经过展宽效应后信号与噪声比仍具前景。
• 发现轴矢量流在 $J/\psi$ 衰变过程中起着不可忽视的作用，尽管事件数量较少，但增强了可探测性。
• 在假设耦合模型下，$X(16.7)$ 玻色子的衰变长度与 BESIII 探测器中可观测的信号特征一致。
• 矢量减相互作用模型为在 $e^+e^-$ 和 $J/\psi$ 两种产生模式下探测 $X(16.7)$ 提供了可行的理论框架。