[박성찬 교수 연구팀] Search for new light vector boson using J/Ψ at BESIII and Belle II
2021.05.27
연세대학교 물리학과 박성찬 교수 연구팀은 본 연구에서는 J/psi 입자가 BESIII 나 Belle II 와 같은 렙톤 충돌기에서 생성되는 과정을 사용한 몇가지 탐색을 제안하였다.
이러한 탐색을 통해 ATOMKI 실험에서 제안된 Be8 등의 이상현상을 설명하는 가벼운 게이지 입자 X의 탐색이 가능할 것으로 기대된다.
BESIII 에서는 J/psi -> eta_c + X -> eta_c e+ e- 의 붕괴채널을 고려하여 해당 X 게이지 입자와 charm 쿼크의 결합상수 에 대한 제약조건을 줄 수 있음을 확인하였다. 현재 BESIII에서 수집한 N_J/psi = 10^10 의 J/psi 붕괴 이벤트를 통해서 eps_c > 5*10-3 정도의 제약조건을 줄 수 있을 것으로 기대되며, 향후 수집될 BESIII 실험에서의 최종 데이터 양 N_J/psi = 10^11 으로부터 eps_c ~ 3 * 10^-3정도의 파라메터까지 X입자 모형을 테스트 할 수 있을 것으로 예상된다. 만약 X입자가 모든 쿼크 세대에 대해 동일하게 결합할 경우, ATOMKI 이상현상의 설명을 위한 파라메터는 완전히 테스트가 가능할 것으로 여겨진다.
반면에, Belle II 에서는 CM energy가 좀 더 높음으로 인해, 렙톤 쌍을 동반한 J/psi 입자의 생성이 더욱 효과적인 채널이 될 수 있으며, 본 연구에서는 해당 채널( l^-l^+ J/psi -> eta_c X -> eta_c e^+ e^-)의 탐색을 통해 역시 charm 쿼크와 X입자의 결합상수를 테스트 할 수 있음을 보였다. 50 ab^{-1}의 데이터를 고려할 경우, 해당 상호작용은 eps_c > 1.8 * 10^-2까지 테스트가 가능할 것으로 보인다.
또한 Belle II에서 (e^- e^+ -> X J/psi -> e^- e^+ l^+ l^-) 의 채널을 통해 X입자와 전자의 상호작용을 탐색이 가능할 것으로 기대되는데, 이 경우 X입자는 상당 부분 가속되어, 전자 쌍으로의 붕괴거리가 O(mm-cm) 정도로 주어질 수 있을 것으로 예상된다. 이 경우, X입자의 transverse flight length가 2mm < d_xy < 8mm 의 범외 내로 주어지는 경우 배경사건이 거의 존재하지 않는 displaced vertex signal을 고려할 수 있음을 확인하였으며, 이러한 특정 신호사건으로부터 주어지는 통계적 유효성을 상세히 분석함으로써 X입자와 전자의 상호작용 결합상수는 Belle II 실험의 50 ab^{-1} 데이터를 고려할 경우, ATOMKI 실험을 설명할 수 있는 파라메터 영역을 완전히 커버할 수 있다는 것을 확인하였고 해당 연구 결과를 Journal of High Energy Physics (IF 5.875)에 게재하였다.
Search for new light vector boson using J/Ψ at BESIII and Belle II
AuthorKayoung Ban, Yongsoo Jho, Youngjoon Kwon, Seong Chan Park, Seokhee Park & Po-Yan Tseng Journal Journal of High Energy Physics DOI doi.org/10.1007/JHEP04(2021)091 publish 2021 Apr 12