[論文レビュー] The "forgotten" decay S -> Z+h as a CP analyzer

Martin Bauer, Matthias Neubert+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、CP奇性スカラーのプローブとして衰え $S \to Zh$ を提案し、CP偶性スカラーでは禁じられているが、$S$ がCP奇性結合を持つ場合にのみ許容されることを示している。有効場理論的手法を用いて、重いフェルミオンからの1ループ寄与を計算し、750 GeVの共鳴状態に対して $S \to Zh$ の崩壊断面積が $S \to \gamma\gamma$ のそれと同等またはそれ以上になる可能性があることを示しており、これはモデルに依存しないCP分析器として強力である。

ABSTRACT

Scalar particles $S$ which are gauge singlets under the Standard Model are generic features of many models of fundamental physics, in particular as possible mediators to a hidden or dark sector. We show that the decay $S o Zh$ provides a powerful probe of the CP nature of the scalar, because it is allowed only if $S$ has CP-odd interactions. We perform a model-independent analysis of this decay in the context of an effective Lagrangian and compute the relevant Wilson coefficients arising from integrating out heavy fermions to one-loop order. We illustrate our findings with the example of the 750 GeV diphoton resonance seen by ATLAS and CMS and show that the $S o Zh$ decay rate could naturally be of similar magnitude or larger than the diphoton rate.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える重いゲージシングレットスカラー $S$ のモデルに依存しない、明確なCP奇性の署名を同定すること。
• CP偶性スカラーでは禁じられているが、$S$ がCP奇性結合を持つ場合にのみ許容される $S \to Zh$ の崩壊が、CP偶性スカラーでは禁じられることを示すこと。
• 有効ラグランジュ形式に基づく有効理論フレームワークで、重いフェルミオンを統合して得られる1ループ寄与を計算すること。
• ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子共鳴状態に対して、$S \to Zh$ の物性的妥当性を評価すること。
• $S \to Zh$ の断面積が $S \to \gamma\gamma$ のそれと同等またはそれ以上になる可能性を示し、有力な発見チャンネルであることを示すこと。

提案手法

• $S$ が $Zh$ と結合するための次元5および次元7のオペレーターを含む、モデルに依存しない有効ラグランジュ項を構築する。
• 重いベクトル型フェルミオンを含む1ループ振幅を計算し、それらを統合することでウィルソン係数を決定する。
• 次元正則化と解析接続を用いて、ループ積分における対数的および虚数的項を処理する。
• 次元7のオペレーター $O_7$ のウィルソン係数 $C_7$ を導出し、$S \to Zh$ 振幅の主要項としての役割を明らかにする。
• $C_7$ を用いた数値的推定により、ベンチマーク状況での $S \to Zh$ の崩壊断面積を $S \to \gamma\gamma$ のそれと比較する。
• 具体的な2つのモデル（第4世代レプトンの逐次的ダブルットモデルおよびベクトル型クォークダブルットモデル）を分析し、物性的到達可能性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $S \to Zh$ の崩壊は、重いゲージシングレットスカラー $S$ のモデルに依存しないCP分析器として機能するか？
• RQ2 $S$ が標準模型粒子との樹形レベル結合を持たない場合、$S \to Zh$ の崩壊振幅の大きさはどの程度か？
• RQ3 750 GeV共鳴状態に対して $S \to Zh$ の断面積は $S \to \gamma\gamma$ のそれと比べてどの程度か？
• RQ4 重いベクトル型フェルミオンを伴う弱い結合モデルでは、$S \to Zh$ の崩壊が強化されるか？
• RQ5 $S \to Zh$ の観測が、750 GeVの二光子過剰現象のスピン2またはCP偶性スカラー説明を除外する上でどのような意味を持つのか？

主な発見

• $S \to Zh$ の崩壊は、CP偶性スカラーでは厳密に禁じられているが、$S$ がCP奇性結合を持つ場合にのみ許容され、明確なCP分析器として機能する。
• $S \to Zh$ の振幅は、トップクォークのループによる次元5の項、または重いフェルミオンを統合することで生じる次元7のオペレーター $O_7$ から生じる。
• 次元7のオペレーターのウィルソン係数 $C_7$ は、$g_t = g_b = 1$ の場合、$C_7 \approx 0.036\,c_1 + 0.011\,\tilde{c}_{tt}$ であり、$g_t = 2$, $g_b = 0.5$ の場合、$C_7 \approx 0.29\,c_1 - 0.15\,\tilde{c}_{tt}$ と推定される。
• $M \lesssim 1$ TeV の範囲では、$pp \to S \to Zh$ の断面積が自然に1–10 fbに達し、$S \to \gamma\gamma$ のそれと同等またはそれを上回る可能性がある。
• 第4世代レプトンダブルットモデルでは、$S \to Zh$ の断面積は最大で73 fbに達し、現在の実験的制限に近い。
• ベクトル型クォークダブルットを含む弱い結合モデルでは、$S \to Zh$ の断面積は1–10 fbの範囲にあり、同時に$Z$極での$b$クォークの前向き後向き非対称性を説明できる。