[論文レビュー] A Scalar Doublet at the Tevatron?

Gino Segrè, Boris Kayser|arXiv (Cornell University)|May 9, 2011

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、~150 GeVにおけるCDFのW + ダイジェット過剰現象を単純に説明するため、真空期待値のないスカラー二重項を提案する。電荷を帯びた成分$φ^+$は$W^+ + φ^0$に崩壊し、$φ^0$はその後ダイジェットに崩壊する。この過程により、等方的かつ角度分布と縦方向に偏ったWの極化が再現され、$10^{-2}$程度の小さなヤコビ係数によるフラバー変換を伴わない中性荷素を回避する。

ABSTRACT

We propose a particularly simple explanation of the W+dijet excess reported by the CDF collaboration. No symmetries beyond those of the standard model are necessary, and the only new particles involved are a spin-zero weak SU(2) doublet with no vacuum expectation value. Possible tests of the model and comparisons to other proposals are discussed.

研究の動機と目的

• 新しい規範群や大きなヒッグスの真空期待値を必要とせずに、~150 GeVにおけるCDFのW + ダイジェット共鳴を説明すること。
• 真空期待値のない単一のSU(2)二重項スカラーのみを用いた最小モデルを提供すること。
• 観測された共鳴ピークを説明すると同時に、フラバー物理学および電弱精度観測の制約を満たすこと。
• レプトフォビック$Z'$や技術的レプトロス型技術的レータモデルなどの代替説明と区別すること。
• $W + \ell^+\ell^-$および$φ^0$生成の$\bar{q}q$衝突におけるテスト可能なシグナチャーを予測すること。

提案手法

• 正の質量平方($\mu^2 > 0$)を持つスピンゼロのSU(2)二重項スカラー$\phi$を導入し、真空期待値が存在しないことを保証する。
• 質量分裂$M_{\phi^+} - M_{\phi^0} \sim \lambda v \sim 100\,\text{GeV}$を生成するための四次カップリング$\lambda_{ab}^{(1)}, \lambda_{ab}^{(2)}, \lambda_{ab}^{(3)}$を含むスカラー・ポテンシャルを構築する。
• クォークおよびレプトンへのヤコビ係数カップリング$y_{ij} \sim 10^{-2}$を導入し、小さなカップリング値によりフラバー変換を伴わない中性荷素を回避する。
• 崩壊チェーン$\bar{q}q \to \phi^+ \to W^+ + \phi^0 \to W^+ + \text{dijet}$を用いて観測された共鳴を再現する。
• スピンゼロの性質により、$\phi^+$および$\phi^0$の静止系で等方的かつ角度分布が得られ、縦方向に偏ったWの極化が予測される。
• エイケン他による技術的レプトロスの提案など、代替モデルと比較し、$Z$ + ダイジェット生成率およびフェルミオンカップリングの違いを強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空期待値のないスカラー二重項が、新しいゲージ群を必要とせずに、~150 GeVにおけるCDFのW + ダイジェット過剰現象を説明できるか？
• RQ2 電荷を帯びたパートナーを介してダイジェットに崩壊する中性スカラー二重項の主な物性的特徴は何か？
• RQ3 同じデータを説明する$Z'$や技術的レプトロス型の説明と、このモデルはどのように異なっているか？
• RQ4 フラバー変換を伴う中性荷素の制約は、新しいスカラー二重項のヤコビ係数にどのような制限を課えるか？
• RQ5 $\phi^0$粒子は$\bar{q}q$衝突や$e^+e^-$共鳴において検出可能か？また、どのような条件下で検出可能か？

主な発見

• モデルは、$\bar{q}q \to \phi^+ \to W^+ + \phi^0 \to W^+ + \text{dijet}$の崩壊チェーンにより、CDFのW + ダイジェット過剰現象を説明する。$\phi^+$は、$g \approx 0.65$のやや弱いカップリングにより、$W^+ + \phi^0$への崩壊が支配的である。
• 質量分裂$\phi^+$と$\phi^0$の間は$\sim 100\,\text{GeV}$であり、四次カップリングおよび電弱真空期待値$v \approx 240\,\text{GeV}$に起因し、$\phi^+ \to W^+ + \phi^0$の過程が力学的に許容されている。
• $\phi^+$の幅は$\sim (1 - 10)\,\text{GeV}$と推定され、観測された共鳴幅と整合的である。
• スピンゼロの性質により、$\phi^+$および$\phi^0$の静止系で角度分布が等方的であり、$W^+$は縦方向に偏った極化を示し、その崩壊生成物では$\sin^2\theta$に類似した角度分布が得られる。
• レプトンへの非ゼロカップリングにより、$W + \ell^+\ell^-$最終状態に潜在的な信号が予測され、これはテバトロンまたはLHCでテスト可能である。
• $\phi^0$粒子は、電子へのカップリングが顕著な場合、$e^+e^-$衝突で共鳴として検出可能となる可能性がある。また、質量が$160\,\text{GeV}$を超え、$W^+W^-$崩壊が開いている場合には、$\bar{q}q$生成によって検出可能となる。