[論文レビュー] Has A 125 GeV Pseudoscalar Resonance Been Observed at the LHC?

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHCで観測された125 GeVの共鳴状態が、標準模型のヒッグスボソンではなく、トップおよびボトムクォークのonium状態の混合によって生じる擬スカラークォークォニウム状態（$\zeta^{0}$）である可能性を提案している。非相対論的クォーク模型を用いて、$\zeta^{0}$の$\gamma\gamma$および$gg$の崩壊幅がヒッグスと著しく異なることを示し、生成断面積の測定によって両者の区別が実験的に可能であると示している。

ABSTRACT

We conjecture that a 125 GeV resonance $ζ^0$ with $J^{PC}=0^{-+}$ composed of a quark-antiquark state may have been observed at the LHC. The decay modes of this pseudoscalar particle are determined using the non-relativistic quark model. The leading order partial decay widths for the decays of the pseudoscalar quarkonium resonance $ζ^0 ightarrow γγ$ and $ζ^0 ightarrow gg$ are compared to the standard model Higgs particle decays $H^0 ightarrow γγ$ and $H^0 ightarrow gg$. An experimental analysis at the LHC of the observed production cross sections for the $ζ^0$ and the Higgs particle could distinguish between a heavy quarkonium $ζ^0$ particle and a light Higgs particle at 125 GeV.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSが観測した125 GeVの共鳴状態が、標準模型のヒッグスボソンではなく、擬スカラークォークォニウム状態である可能性を調査すること。
• 共鳴状態が基本的なヒッグスではなく、重いクォークォニウム状態である場合、電弱対称性の spontaneously broken に与える影響を検討すること。
• 生成断面積および分支比の実験的測定を用いて、$\zeta^{0}$クォークォニウム共鳴状態と軽いヒッグス粒子を区別すること。
• ボトムおよびトップクォークのonium状態間の混合が、125 GeVの擬スカラー共鳴状態を生成する役割を分析すること。

提案手法

• 非相対論的クォーク模型を用いて、$\zeta^{0} \rightarrow \gamma\gamma$および$\zeta^{0} \rightarrow gg$の一次近似部分崩壊幅を計算する。
• 質量行列$\mathcal{M}$を用いた有効ハミルトニアン形式を適用し、$|B\rangle = |b\bar{b}\rangle$および$|T\rangle = |t\bar{t}\rangle$状態間の混合を記述する。
• 混合角$\phi \sim 36^\circ$を用いて、質量行列の対角化により、$m_{\zeta^{0}} \sim 125$ GeVおよび$m_{\zeta^{0'}} \sim 230$ GeVの質量固有状態を導出する。
• クーロン近似を用い、S波クォークォニウムに対して$|R_0(0)|^2 \propto \alpha_s^3 m_{\zeta^{0}}$となるように崩壊幅を計算する。
• 狭い幅近似およびグルーオン融合支配を仮定し、$\sigma(pp \rightarrow \zeta^{0} + X)$とヒッグスの生成断面積を比較する。
• $\gamma\gamma$崩壊率の比較に用いる比$\mu = \sigma_\zeta / \sigma_H$を定義し、$\mu > 1$であれば$\zeta^{0}$解釈が支持される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCの$\gamma\gamma$チャンネルで観測された125 GeVの共鳴状態が、標準模型のヒッグスボソンではなく、擬スカラークォークォニウム状態である可能性はあるか？
• RQ2 125 GeVのヒッグスボソンと比較して、$\Gamma(\zeta^{0} \rightarrow \gamma\gamma)$および$\Gamma(\zeta^{0} \rightarrow gg)$の崩壊幅はどのように異なるか？
• RQ3 $gg$融合における125 GeV共鳴状態の生成断面積は、$\zeta^{0}$クォークォニウム状態とヒッグスボソンを区別できるか？
• RQ4 ボトムおよびトップクォークのonium状態間の混合が、125 GeVの擬スカラー状態を生成する役割を果たすか？
• RQ5 125 GeVの共鳴状態に顕著な$WW^*$および$ZZ^*$崩壊がない場合、それは擬スカラークォークォニウム解釈を支持するか？

主な発見

• 125 GeVの共鳴状態は、$|b\bar{b}\rangle$および$|t\bar{t}\rangle$状態間の混合によって生成される$\zeta^{0}$クォークォニウム状態と解釈され、混合角は$\phi \sim 36^\circ$である。
• 計算された$\zeta^{0}$状態の質量は$m_{\zeta^{0}} \sim 125$ GeVであり、観測された共鳴状態と整合的である。一方、パートナーステート$\zeta^{0'}$の質量は$m_{\zeta^{0'}} \sim 230$ GeVである。
• 部分崩壊幅$\Gamma(\zeta^{0} \rightarrow \gamma\gamma)$は$\alpha^2 \alpha_s^3 m_{\zeta^{0}}$に比例し、ヒッグスの崩壊幅とは、結合定数に依存する係数の違いにより著しく異なる。
• $\gamma\gamma$生成のための比$\mu = \sigma_\zeta / \sigma_H$は1より大きいと予測され、$\zeta^{0}$の生成断面積がヒッグスよりもやや大きい可能性を示唆する。
• $\zeta^{0}$状態は$WW^*$および$ZZ^*$への結合が抑制されており、ヒッグスとは異なり、これは分支比の測定によって検証可能である。
• 125 GeVの共鳴状態が擬スカラークォークォニウムであると確認されれば、標準模型のヒッグスは存在せず、電弱対称性の spontaneously broken はフェルミオン凝縮を伴う新しい強いダイナミクスによって生じる可能性がある。