[論文レビュー] Searching for new physics in bottomonium decays

Miguel-Angel Sanchis-Lozano|ArXiv.org|Oct 28, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ボトミウム崩壊におけるレプトン普遍性の破れ—具体的には、Upsilon共鳴状態におけるタウ粒子の分岐比の増大—が、新しい物理現象を示唆する可能性があると提案している。特に、軽いCP奇性ヒッグスボソンが中間状態 $\eta_b$ への非可視M1遷移を媒介し、その後ヒッグス媒介による $\tau^+\tau^-$ 崩壊に至るメカニズムが考えられる。$\Upsilon(3S)$ における観測された $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$ は、このような段階的過程の分岐比が $10^{-2}-10^{-1}$ であることに整合しており、$m_{A^0} \sim m_{\Upsilon(1S)}$ で中程度の $\tan\beta$ を持つ軽いヒッグスが存在する可能性を示唆している。

ABSTRACT

Heavy quarkonium decays can be used to search for New Physics beyond the Standard Model. In particular, a light Higgs boson could induce a slight (but observable) lepton universality breaking in Upsilon decays. In fact, current experimental data from CLEO presented in this Conference seem to point out to this direction within experimental accuracy. Moreover, LEP constraints on a light Higgs mass can be evaded by different models (like MSSM with a CPV Higgs sector) as shown in this Conference. We also consider spectroscopic consequences stemming from a possible mixing between Higgs and bottomonium states leading to discrepancies with the SM expectations (e.g. hyperfine splittings).

研究の動機と目的

• 更新されたCLEOデータを用いて、$\Upsilon(nS) \to \ell^+\ell^-$ の分岐比をもとに、Upsilonレプトン崩壊におけるレプトン普遍性の検証を行う。
• 観測された $R_{\tau/\ell}$ の乖離が、標準模型を越える新しい物理を示唆する可能性があるかどうかを調査する。
• CP奇性ヒッグスボソンが中間状態の擬スカラー底クォーク状態と混合することで、ハイパーフィン分裂や崩壊率に測定可能なずれを生じる可能性を検討する。
• 段階的崩壊メカニズム $\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(n'S) \to \gamma_s \tau^+\tau^-$ の妥当性を評価する。ここで、軟らかな光子は検出されない。
• $\eta_b$ 共鳴状態の非観測と、ヒッグス媒介による $b\bar{b}$ 消滅が $\tau^+\tau^-$ 対に至る理論的枠組みを整合させる方法を検討する。

提案手法

• 分析は、CLEOおよびPDGから得られた測定済みのレプトン的分岐比を用い、$R_{\tau/\ell}(nS) = \frac{\mathcal{B}[\Upsilon(nS)\to\tau\tau] - \mathcal{B}[\Upsilon(nS)\to\ell\ell]}{\mathcal{B}[\Upsilon(nS)\to\ell\ell]}$ を用いて、レプトン普遍性の破れをテストする統計量として用いる。
• 論文は段階的崩壊過程 $\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(n'S)$（磁気双極子（M1）遷移を介して）、その後 $\eta_b(n'S) \to \tau^+\tau^-$（ヒッグス交換を介して）をモデル化する。
• M1遷移の分岐比は、$\mathcal{B}[\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(n'S)] \propto \alpha \cdot e_b^2 \cdot k^3 \cdot I$ という式を用いて推定され、ここで $I$ は波動関数の重なりである。
• ヒッグス媒介幅 $\Gamma[\eta_b \to \tau^+\tau^-]$ は、$\Gamma[\eta_b \to \tau^+\tau^-] \propto \frac{m_b^4 m_\tau^2 (1-4x_\tau)^{1/2} |R_n(0)|^2 \tan^4\beta}{(m_{\eta_b}^2 - m_{A^0}^2)^2 v^4}$ としてモデル化され、$\mathcal{B} \approx 1$ を仮定している。
• モデルは、M1遷移に伴う検出されない軟らかな光子が、$\tau^+\tau^-$ 終状態に誤って割り当てられることで、$R_{\tau/\ell} > 0$ が観測されるという仮定を採用している。
• LEPの制約や、軽いCP奇性ヒッグスが標準的ヒッグス質量の制約を回避できるNMSSMなどのモデルと照合することで、理論的整合性を確認している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\Upsilon(3S)$ における観測された $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$ は、軽いヒッグスボソンを含む新しい物理メカニズムで説明可能か？
• RQ2 $\eta_b$ 共鳴状態の非観測は、$\eta_b$ が主にヒッグス媒介による $\tau^+\tau^-$ チャネルに崩壊するという状況と整合するか？
• RQ3 CP奇性ヒッグスと擬スカラー底クォーク状態との混合が、標準模型の予想とは異なるハイパーフィン分裂に測定可能なずれを生じるか？
• RQ4 測定された $\Upsilon(nS) \to \ell^+\ell^-$ および $\Upsilon(nS) \to \tau^+\tau^-$ の分岐比は、検出されない軟らかな光子を含む段階的崩壊によって一貫して説明可能か？
• RQ5 提案されたモデルで観測された $R_{\tau/\ell}$ 値を再現するには、$\tan\beta$ と $m_{A^0}$ のどの値が必要か？

主な発見

• $\Upsilon(3S)$ における $R_{\tau/\ell}$ の測定値は $0.31 \pm 0.17$ であり、これはレプトン普遍性からの $1\%$ の有意なずれを示している。
• $\Upsilon(1S)$、$\Upsilon(2S)$、$\Upsilon(3S)$ における $R_{\tau/\ell}$ の値は、それぞれ $0.12 \pm 0.06$、$0.07 \pm 0.05$、$0.15 \pm 0.15$ であり、タウ粒子モードでの一貫した増大傾向が確認された。
• 観測された $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$ は、$\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(1S)$ の分岐比が $10^{-2}-10^{-1}$ の段階的崩壊メカニズムと整合しており、$\mathcal{B}[\eta_b \to \tau^+\tau^-] \approx 1$ を仮定すれば成立する。
• $\tan\beta = 15$ および $M_{\Upsilon} - M_{A^0} = 250$ MeV の条件下で、モデルは $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$ を予測し、観測値と一致する。
• CLEOデータにおける $\eta_b$ 状態の非観測は、それらが主に軽いヒッグスを介した $\tau^+\tau^-$ への崩壊により、標準的探索手法では検出不能であると考えられる。
• NMSSMや他の2HDMモデルとの理論的整合性は、$m_{A^0} \sim m_{\Upsilon(1S)}$ の軽いCP奇性ヒッグスの存在を、データの説明として妥当な解釈であると支持している。