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

Martin Bauer, Andrea Thamm+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

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 → 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。有効場理論のアプローチを用いて、重いフェルミオンからの1ループ補正によるウィルソン係数を計算し、S → Zhの崩壊率が観測された750 GeV二光子共鳴と同等またはそれ以上の大きさを示す可能性があることを示している。これは、LHCにおける新しい共鳴状態のCP性質をテストする、明確でモデルに依存しないシグネチャを提供する。

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

• 新しいスピン0共鳴状態のCP量子数をモデルに依存しない、明確なシグネチャで探査すること。
• 二光子崩壊が支配的である場合に、CP偶性とCP奇性スカラーを区別する課題に対処すること。
• S → Zh崩壊がCP偶性スカラーでは禁じられているが、CP奇性または混合CP状態のときのみ許容されることを示すこと。
• 重いフェルミオンを含む有効場理論フレームワークにおいて、S → Zhのウィルソン係数を計算すること。
• 750 GeV共鳴状態の実際のモデルにおいて、S → Zh崩壊率が二光子率と同等またはそれ以上である可能性を示すこと。

提案手法

• SがSMゲージボソンおよびフェルミオンと相互作用する様子を、次元5および次元6のオペレーターを用いた有効ラグランジュ形式で記述する。
• 重いフェルミオンからの1ループ寄与を計算し、S → Zh崩壊振幅および関連するウィルソン係数を導出する。
• ユニタリゲージを適用し、トップおよびボトムクォークとの擬スカラー的相互作用を介してCP奇性結合を含める。
• LHCの既存データからの制約を用いて、750 GeV二光子共鳴の文脈で崩壊率を分析する。
• 強い結合および弱い結合モデルを両方検討し、第4世代のベクトル型フェルミオンダブルットおよび第4世代の逐次的レプトンを含む。
• S → Zh崩壊率が弱い結合モデルでは1–10 fbに達し、強い結合系においては最大73 fbに達することを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 S → Zh崩壊は、新しいスピン0共鳴状態のCP性質をモデルに依存しないプローブとして機能できるか？
• RQ2 なぜS → ZhはCP偶性スカラーでは禁じられているのか？その観測がSのCP量子数に何を示唆するのか？
• RQ3 重いフェルミオンを含む有効場理論モデルにおけるS → Zh崩壊率の大きさはどの程度か？
• RQ4 750 GeV共鳴状態において、S → Zh率が観測された二光子率と同等またはそれ以上である可能性はあるか？
• RQ5 S → Zhの観測が、二光子過剰のスピン0とスピン2の説明を区別する上でどのような現象論的含意を持つのか？

主な発見

• S → Zh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、これは擬スカラーまたは混合CP状態の決定的証拠となる。
• S → Zhのウィルソン係数は、重いフェルミオンからの1ループで計算され、主にトップおよびボトムクォークの寄与が支配的である。
• 逐次的第4世代の重いレプトンを含むモデルでは、S → Zh崩壊率は最大73 fbに達し、現在の実験的限界に近づく。
• 重いベクトル型フェルミオンダブルットを含む弱い結合モデルでは、S → Zh崩壊率は1–10 fbの範囲に予測され、LHCの感度と整合的である。
• S → Zhの観測は、スピン2説明を除外し、共鳴状態が擬スカラー性質を持つことを確認する。
• S → Zh崩壊は、角度分布解析を要しない、強力で独立したCP性質の探査手段を提供する。