[論文レビュー] Prospects of probing new physics in bottomonium decays and spectroscopy

Miguel-Angel Sanchis-Lozano|ArXiv.org|Mar 26, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、軟光子を介した仮想交換によって、非標準的で軽いCP奇性のヒッグスボソンが、ボトミウムのレプトン対の崩壊、特にオメガ共振子のタウ粒子チャンネルにおいて観測可能なレプトン普遍性の破れを引き起こす可能性を提唱している。レプトン普遍性からの10%の著しいずれらの変動は、このような新しい物理学を示唆するものであり、光子スペクトルに明確なピークが現れる「決定的証拠」として、ヒッグス粒子の質量を特定する手がかりとなる。

ABSTRACT

A non-standard CP-odd Higgs boson could induce a slight (but observable) lepton universality breaking in Upsilon leptonic decays. Moreover, mixing between such a pseudoscalar Higgs boson and $η_b$ states might shift their mass levels, thereby modifying the values of the $M_{Υ(nS)}-M_{η_b(nS)}$ hyperfine spplitings predicted in the standard model. Besides, $η_b$ resonances could be broader than expected with potentially negative consequences for discovery in both $e^+e^-$ and hadron colliders. A scenario with a CP violating Higgs sector is also considered. Finally, further strategies to search for a light Higgs particle in bottomonium decays are outlined.

研究の動機と目的

• Upsilonのレプトン対崩壊におけるレプトン普遍性の逸脱が、標準模型を越えた軽いCP奇性ヒッグスボソンを示唆するかどうかを調査すること。
• 擬スカラー・ヒッグスとηb状態の間の混合が、ハイパーフィン分裂および共鳴幅に与える影響を評価すること。
• 幅が増加する新しい物理学のシナリオ下で、e⁺e⁻およびハドロン衝突装置におけるηb共鳴の検出可能性を評価すること。
• CP対称性の破れを伴うヒッグス系における軽いヒッグスボソンのプローブとしてのUpsilon崩壊の可能性を検討すること。
• モノエネルギー光子のサインチャーやτ±スピン測定を用いた軽いヒッグスボソンの同定戦略を提示すること。

提案手法

• Upsilonの非標準的寄与をモデル化するため、有効な崩壊振幅γsA⁰ → ℓ⁺ℓ⁻を用い、A⁰は軽いCP奇性ヒッグスボソン、γsは軟で検出不能な光子を表す。
• レプトン普遍性からの逸脱を定量化するため、比Rτ = [Γ(Υ → γsτ⁺τ⁻)] / Γ(em)eeを定義し、標準模型ではRτ = 0が期待される。
• ヒッグス寄与に起因する質量依存の崩壊幅を導出し、特にτ⁺τ⁻チャンネルにおいてレプトン普遍性の見かけ上の破れが生じることを示す。
• CP奇性ヒッグスとηb(nS)状態の間の混合をモデル化し、MΥ(nS) − Mηb(nS)のハイパーフィン分裂が標準模型の予測を上回るよう変化することを示す。
• ηb幅の理論的推定値を、ヒッグス媒介崩壊を含める形に拡張し、ハドロン衝突装置での検出を困難にする可能性のある幅の拡大を予測する。
• MSSMヒッグス系におけるCP対称性の破れを含むシナリオを分析し、Zボソンとの結合が抑制された軽いH₁状態が、LEP制約と整合し、新しい物理学のサインを示す可能性があることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽いCP奇性ヒッグスボソンは、Upsilonのレプトン対崩壊におけるレプトン普遍性からの10%の逸脱を説明できるか？
• RQ2 擬スカラー・ヒッグスとηb状態の間の混合は、MΥ(nS) − Mηb(nS)のハイパーフィン分裂にどのように影響するか？
• RQ3 ηb幅の増大は、e⁺e⁻およびハドロン衝突装置におけるηb共鳴の発見にどのような影響を及えるか？
• RQ4 τ⁺τ⁻崩壊データにおいて（準）モノエネルギー光子が観測された場合、それが軽いヒッグスボソンの決定的サインとなるか？
• RQ5 Upsilon崩壊は、NMSSMやCP対称性の破れたMSSMのようなモデルにおける軽いヒッグスボソンのパrameter空間をどの程度制限できるか？

主な発見

• 非標準的で軽いCP奇性ヒッグスボソンは、特にτ⁺τ⁻チャンネルにおいて、Upsilon崩壊で10%のレプトン普遍性の破れを引き起こす可能性があり、Rτ ≠ 0によって定量的に示される。
• CP奇性ヒッグスとηb状態の混合は、相対的な質量順序に依存して、MΥ(nS) − Mηb(nS)のハイパーフィン分裂を標準模型の予測を超えてシフトさせる。
• tanβが大きい場合にはηb共鳴の幅が大きく、ハドロン衝突装置の崩壊モードにおいて分岐比が10倍程度に低下する可能性がある。
• τ⁺τ⁻崩壊イベントの約10%において（準）モノエネルギー光子が検出されれば、それは軽いヒッグスボソンの「決定的証拠」となり、直接的な質量測定が可能になる。
• 最終状態のτ±のスピン極化分析により、媒介するヒッグスボソンのCP量子数を特定する手がかりが得られる。
• Upsilon崩壊におけるレプトン普遍性が確認された場合、これは、ボトムの開口閾値以下の領域における軽いヒッグスボソンの質量窓を閉ざし、他の実験では難易度の高い領域を除外する可能性を示す。