[논문 리뷰] Searching for new physics in bottomonium decays

Miguel-Angel Sanchis-Lozano|ArXiv.org|2005. 10. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 바텀온 디스인터행에서 렙톤 유니버설리티의 편차—특히 유프시론 공명에서 증가된 타우온성 분해율—이 새로운 물리학, 예를 들어 가벼운 CP-홀로이드 힉스 보손이 중간 상태인 $\eta_b$ 상태로 비가시성 M1 전이를 매개하고, 그 후 힉스 매개 $\tau^+\tau^-$ 분해로 이어지는 현상일 수 있음을 제안한다. 관측된 $\Upsilon(3S)$에서의 $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$는 이러한 계단식 과정의 분해율이 $10^{-2}-10^{-1}$ 범위임과 일치하며, 이는 $m_{A^0} \sim m_{\Upsilon(1S)}$ 이며 중간 정도의 $\tan\beta$ 를 가진 가벼운 힉스 보손이 존재할 가능성을 시사한다.

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).

연구 동기 및 목표

• 업데이트된 CLEO 데이터를 활용해 $\Upsilon(nS) \to \ell^+\ell^-$ 분해율을 기반으로 유프시론 렙톤 분해에서 렙톤 유니버설리티를 검증한다.
• 관측된 $R_{\tau/\ell}$ 비율의 편차가 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 시사할 수 있는지 조사한다.
• 가벼운 CP-홀로이드 힉스 보손이 편자성 바텀온 상태와 혼합되어 초미세분열과 분해율을 변화시킬 수 있는 가능성을 탐색한다.
• 계단식 분해 메커니즘인 $\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(n'S) \to \gamma_s \tau^+\tau^-$의 타당성을 평가한다. 여기서 부드러운 광자는 검출되지 않는다.
• 이론적 프레임워크에서 $b\bar{b}$ 결합이 $\tau^+\tau^-$ 쌍으로 힉스 매개를 통해 일어나는 과정을 고려할 때, $\eta_b$ 공명의 비관측과의 일치를 재확인한다.

제안 방법

• 분석은 CLEO와 PDG에서 제공한 측정된 렙톤 분해율을 사용하여, 렙톤 유니버설리티 위반의 검증 통계량으로 $R_{\tau/\ell}(nS) = \frac{\mathcal{B}[\Upsilon(nS)\to\tau\tau] - \mathcal{B}[\Upsilon(nS)\to\ell\ell]}{\mathcal{B}[\Upsilon(nS)\to\ell\ell]}$ 을 계산한다.
• 논문은 계단식 분해 과정을 모델링한다: $\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(n'S)$ 는 자장 이중극(M1) 전이를 통해 발생하고, 그 다음 $\eta_b(n'S) \to \tau^+\tau^-$ 는 힉스 교환를 통해 일어난다.
• M1 전이의 분해율은 공식 $\mathcal{B}[\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(n'S)] \propto \alpha \cdot e_b^2 \cdot k^3 \cdot I$ 를 사용하여 추정되며, 여기서 $I$ 는 파동함수 겹침이다.
• 힉스 매개 너비 $\Gamma[\eta_b \to \tau^+\tau^-]$ 는 $\Gamma[\eta_b \to \tau^+\tau^-] \propto \frac{m_b^4 m_\tau^2 (1-4x_\tau)^{1/2} |R_n(0)|^2 \tan^4\beta}{(m_{\eta_b}^2 - m_{A^0}^2)^2 v^4}$ 로 모델링되며, $\mathcal{B} \approx 1$ 이라고 가정한다.
• 모델은 M1 전이에서 발생하는 검출되지 않는 부드러운 광자가 $\tau^+\tau^-$ 최종 상태로 잘못 기록되어 $R_{\tau/\ell} > 0$ 가 관측된다고 가정한다.
• LEP 제약 조건과 NMSSM 같은 모델에서, 가벼운 CP-홀로이드 힉스 보손이 표준 힉스 질량 제약를 피할 수 있음을 고려하여 이론적 일관성을 점검한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\Upsilon(3S)$에서 관측된 $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$ 이 가벼운 힉스 보손을 포함한 새로운 물리 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 $\eta_b$ 공명의 비관측은 $\eta_b$ 가 주로 힉스 매개 $\tau^+\tau^-$ 채널로 분해된다는 시나리오와 일치하는가?
• RQ3 CP-홀로이드 힉스와 편자성 바텀온 상태 간의 혼합이 표준모형 예측과 비교해 측정 가능한 초미세분열 편차를 유도하는가?
• RQ4 $\Upsilon(nS) \to \ell^+\ell^-$ 와 $\Upsilon(nS) \to \tau^+\tau^-$ 의 측정된 분해율이 검출되지 않는 부드러운 광자를 포함한 계단식 분해로 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ5 제안된 모델 내에서 관측된 $R_{\tau/\ell}$ 값을 재현하기 위해 필요한 $\tan\beta$ 와 $m_{A^0}$ 의 값은 무엇인가?

주요 결과

• $\Upsilon(3S)$의 $R_{\tau/\ell}$ 비율은 $0.31 \pm 0.17$ 로 측정되어 렙톤 유니버설리티에서 $1\%$ 수준의 편차를 나타낸다.
• $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$, $\Upsilon(3S)$의 $R_{\tau/\ell}$ 값은 각각 $0.12 \pm 0.06$, $0.07 \pm 0.05$, $0.15 \pm 0.15$ 로, 타우온성 모드에서의 일관된 증가 패tern을 보인다.
• 관측된 $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$ 은 $\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(1S)$ 의 분해율이 $10^{-2}-10^{-1}$ 범위일 경우, $\mathcal{B}[\eta_b \to \tau^+\tau^-] \approx 1$ 이라고 가정할 때 계단식 분해 메커니즘과 일치한다.
• $\tan\beta = 15$ 이고 $M_{\Upsilon} - M_{A^0} = 250$ MeV 일 경우, 모델은 $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$ 을 예측하여 관측된 값과 일치한다.
• CLEO 데이터에서 $\eta_b$ 상태가 관측되지 않는 것은, 그들이 주로 가벼운 힉스를 통해 $\tau^+\tau^-$ 로 분해되어 표준 검색에서 보이지 않기 때문에 설명될 수 있다.
• NMSSM 및 기타 2HDM 모델과의 이론적 일관성은 $m_{A^0} \sim m_{\Upsilon(1S)}$ 인 가벼운 CP-홀로이드 힉스 보손이 데이터를 설명하는 데 타당한 해법임을 지지한다.