[論文レビュー] Scalar decay into pions via Higgs portal

Dmitry Gorbunov, Ekaterina Kriukova+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、$\bar{u}u$-媒介過程からの重力形因子を用いることで、ヒッグスポータルモデルにおけるパイオンへのスカラーの崩壊率に関する長年の不確実性を解消し、理論的不確実性を100倍から約2倍にまで低減した。結果として、1.5–2 GeVの周囲でパイオン崩壊モードとグルーオン崩壊モードの滑らかな遷移が得られ、将来の実験感度に対するより正確な予測が可能になった。

ABSTRACT

In extensions of the Standard Model (SM) of particle physics a light scalar from a hidden sector can interact with known particles via mixing with the SM Higgs boson. If the scalar mass is of GeV scale, this coupling induces the scalar decay into light hadrons, that saturates the scalar width. Searches for the light scalars are performed in many ongoing experiments and planned for the next generation projects. Applying dispersion relations changes the leading order estimate of the scalar decay rate into pions by a factor of about a hundred indicating the strong final state interaction. This subtlety for about thirty years prevented any reliable inference of the model parameters from experimental data. In this Letter we use the gravitational form factor for neutral pion extracted from analysis of $γ^*γ oπ^0π^0$ processes to estimate the quark contribution to scalar decay into two pions. We find a factor of two uncertainty in this estimate and argue that the possible gluon contribution is of the same order. The decay rate to pions smoothly matches that to gluons dominating for heavier scalars. With this finding we refine sensitivities of future projects to the scalar-Higgs mixing. The accuracy in the calculations can be further improved by performing similar analysis of $γ^*γ o K K$ and $γ^*γ oηη$ processes and possibly decays like $J/ψ oγ+ππ$.

研究の動機と目的

• ヒッグスポータルモデルにおけるスカラーのパイオンへの崩壊率に関する長年の100倍の理論的不確実性を解消すること。
• 正確なパイオンへの崩壊幅の推定を通じて、スカラー-ヒッグス混合に関する実験的制約の信頼性を向上させること。
• 両者が顕著に寄与するGeVスケールの質量領域において、パイオンとグルーオンの崩壊モードの間に双対性を確立すること。
• 将来の軽いスカラー粒子に対する感度の更新に向けた堅牢なフレームワークを提供すること。
• さらなる崩壊率計算の改善に寄与する主要なハドロン過程（例：$\bar{\nu}\nu$-媒介$\bar{\nu}\nu$散乱、$J/\psi \to \gamma + \pi\pi$）を特定すること。

提案手法

• 著者らは、$\gamma^*\gamma \to \pi^0\pi^0$過程の解析から抽出した中性パイオンの重力形因子を用い、2個のパイオンへのスカラー崩壊におけるクォーク寄与を推定した。
• 最終状態相互作用を補正するために分散関係を適用し、従来の100倍程度の補正を加えることで、信頼性の高いパrameter推定を妨げていた問題を解消した。
• 特に低質量領域における一貫性の確認のため、次-leading-order (NLO) QCD補正およびチャイラル摂動論理（ChPT）を組み込んだ。
• Donoghueら（1990年）およびBezrukovとGorbunov（2010年）の既存結果と比較したところ、軽いスカラー励起状態（例：$f_0(500)$ や $f_0(980)$）に起因するピーク構造は認められなかった。
• グルーオン寄与がクォーク寄与と同程度のオーダーであると推定され、両者の併用が正当化された。
• 著者らは、$M_S \sim 1.5-2$ GeVの周囲でパイオン崩壊幅がグルーオン崩壊幅と滑らかに一致することを示し、ハドロン崩壊におけるクォーク-グルーオン双対性を裏付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長年の約100倍の不確実性が残っていた状況において、ヒッグスポータルモデルにおける軽いスカラーの2個のパイオンへの崩壊率は、正しい値は何か？
• RQ2 最終状態相互作用および非摂動的QCD効果は、スカラーのパイオンへの崩壊幅にどのように影響を与えるか？
• RQ3 GeVスケールの質量領域において、スカラーのパイオンへの崩壊におけるクォーク寄与とグルーオン寄与は、どの程度バランスをとっているか？
• RQ4 $\gamma^*\gamma \to \pi^0\pi^0$ からの重力形因子を用いて、パイオンへのスカラー崩壊振幅を信頼性を持って推定できるか？
• RQ5 更新された崩壊率は、将来の実験におけるスカラー-ヒッグス混合パrameter $\xi$ に対する感度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 重力形因子を$\gamma^*\gamma \to \pi^0\pi^0$過程から用いることで、スカラーのパイオンへの崩壊率における理論的不確実性が約100倍から約2倍にまで低減された。
• スカラー質量が1.5–2 GeVの周囲で、パイオンへの崩壊幅がグルーオンへの崩壊幅と滑らかに一致し、クォーク寄与とグルーオン寄与の間の双対性が示された。
• スカラーのパイオンへの崩壊におけるクォーク寄与は2倍の不確実性で推定され、グルーオン寄与は同程度のオーダーであると判明した。
• 本モデルでは、$f_0(500)$ や $f_0(980)$ のような軽いスカラー励起状態に起因するピーク構造は示されず、これらは広がっているか、この文脈では動的には重要でないことが判明した。
• 修正されたパイオン崩壊幅の組み込みにより、分岐比の予測精度が著しく向上し、将来の実験におけるスカラー-ヒッグス混合パrameter空間における到達可能性が更新された。
• $\gamma^*\gamma \to KK$、$\gamma^*\gamma \to \eta\eta$、$J/\psi \to \gamma + \pi\pi$ などの追加プロセスの分析により、さらなる精度向上が期待される。