[논문 리뷰] Has A 125 GeV Pseudoscalar Resonance Been Observed at the LHC?

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

논문은 LHC에서 관측된 125 GeV 공명이 표준모형 힉스 보손이 아니라 바닥 쿼크 및 탑 쿼크 온리움 상태 간의 혼합으로 인해 발생하는 편소자 쿼크온리움 상태($\zeta^{0}$)일 수 있다고 제안한다. 비상대론적 쿼크 모형을 사용하여, $\zeta^{0}$의 $\gamma\gamma$ 및 $gg$ 붕괴 폭이 힉스 보손과 상당히 다름을 보이며, 생산 단면적 측정을 통해 두 입자를 실험적으로 구별할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We conjecture that a 125 GeV resonance $ζ^0$ with $J^{PC}=0^{-+}$ composed of a quark-antiquark state may have been observed at the LHC. The decay modes of this pseudoscalar particle are determined using the non-relativistic quark model. The leading order partial decay widths for the decays of the pseudoscalar quarkonium resonance $ζ^0 ightarrow γγ$ and $ζ^0 ightarrow gg$ are compared to the standard model Higgs particle decays $H^0 ightarrow γγ$ and $H^0 ightarrow gg$. An experimental analysis at the LHC of the observed production cross sections for the $ζ^0$ and the Higgs particle could distinguish between a heavy quarkonium $ζ^0$ particle and a light Higgs particle at 125 GeV.

연구 동기 및 목표

• ATLAS와 CMS가 관측한 125 GeV 공명이 표준모형 힉스 보손이 아니라 편소자 쿼크온리움 상태일 수 있는지 조사한다.
• 만약 공명이 기본 힉스가 아니라 무거운 쿼크온리움 상태일 경우 전자약력 대칭 파괴에 미치는 영향을 탐색한다.
• 생산 단면적과 분해비 측정치를 이용하여 $\zeta^{0}$ 쿼크온리움 공명과 경량 힉스 입자를 실험적으로 구별한다.
• 바닥 쿼크온리움과 탑 쿼크온리움 상태 간의 혼합이 125 GeV 편소자 공명을 생성하는 데 기여하는 역할을 분석한다.

제안 방법

• 비상대론적 쿼크 모형을 사용하여 $\zeta^{0} \rightarrow \gamma\gamma$ 및 $\zeta^{0} \rightarrow gg$의 1차 부분 붕괴 폭을 계산한다.
• 질량 행렬 $\mathcal{M}$을 사용한 효과적 해밀토니안 형식을 적용하여 $|B\rangle = |b\bar{b}\rangle$ 및 $|T\rangle = |t\bar{t}\rangle$ 상태 간의 혼합을 기술한다.
• 혼합 각도 $\phi \sim 36^\circ$를 사용하여 질량 행렬의 대각화를 통해 질량 고유상태 $m_{\zeta^{0}} \sim 125$ GeV 및 $m_{\zeta^{0'}} \sim 230$ GeV를 유도한다.
• 쿠론보 보조를 사용하여 붕괴 폭을 계산하며, S파 쿼크온리움의 경우 $|R_0(0)|^2 \propto \alpha_s^3 m_{\zeta^{0}}$이다.
• 좁은 폭 근사와 글루온 융합 지배 원리를 사용하여 $\sigma(pp \rightarrow \zeta^{0} + X)$와 힉스의 생산 단면적을 비교한다.
• $\gamma\gamma$ 붕괴 비율을 비교하기 위해 $\mu = \sigma_\zeta / \sigma_H$ 비율을 정의하며, $\mu > 1$일 경우 $\zeta^{0}$ 해석이 유리하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 $\gamma\gamma$ 채널에서 관측된 125 GeV 공명이 표준모형 힉스 보손이 아니라 편소자 쿼크온리움 상태일 수 있는가?
• RQ2 125 GeV에서 $\Gamma(\zeta^{0} \rightarrow \gamma\gamma)$ 및 $\Gamma(\zeta^{0} \rightarrow gg)$ 붕괴 폭이 힉스 보손과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 gg 융합에서의 125 GeV 공명의 생산 단면적은 $\zeta^{0}$ 쿼크온리움 상태와 힉스 보손을 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ4 바닥 쿼크온리움과 탑 쿼크온리움 간의 혼합이 125 GeV 편소자 상태를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 125 GeV 공명에서 $WW^*$ 및 $ZZ^*$ 붕괴가 유의미하게 관측되지 않는다면, 이는 편소자 쿼크온리움 해석을 지지하는가?

주요 결과

• 125 GeV 공명은 $|b\bar{b}\rangle$ 및 $|t\bar{t}\rangle$ 상태 간의 혼합으로 인해 생성된 $\zeta^{0}$ 쿼크온리움 상태로 해석되며, 혼합 각도 $\phi \sim 36^\circ$이다.
• 계산된 $\zeta^{0}$ 상태의 질량은 $m_{\zeta^{0}} \sim 125$ GeV로 관측된 공명과 일치하며, 동반 상태 $\zeta^{0'}$의 질량은 $m_{\zeta^{0'}} \sim 230$ GeV이다.
• 부분 붕괴 폭 $\Gamma(\zeta^{0} \rightarrow \gamma\gamma)$는 $\alpha^2 \alpha_s^3 m_{\zeta^{0}}$ 비례하며, 이는 힉스 붕괴 폭과 결합 상수에 따라 다른 요인으로 인해 다름을 보인다.
• $\gamma\gamma$ 생산에 대한 비율 $\mu = \sigma_\zeta / \sigma_H$는 1을 초과할 것으로 예측되며, 이는 $\zeta^{0}$의 생산 단면적이 힉스보다 클 수 있음을 시사한다.
• $\zeta^{0}$ 상태는 $WW^*$ 및 $ZZ^*$에 대해 억제된 결합을 가지며, 이는 힉스와 다름을 보이며, 분해비 측정을 통해 검증 가능하다.
• 만약 125 GeV 공명이 편소자 쿼크온리움으로 확인된다면, 표준모형 힉스는 존재하지 않으며, 전자약력 대칭 파괴는 쿼크 콘덴세이트를 포함하는 새로운 강한 동역학에 의해 발생함을 의미한다.