[논문 리뷰] The "forgotten" decay S -> Z+h as a CP analyzer

Martin Bauer, Matthias Neubert외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 CP-홀드 스칼라 탐지제로써 붕괴 $S \to Zh$를 제안하며, CP-짝수 스칼라의 경우 금지되나 $S$가 CP-홀드 커플링을 가질 경우에만 허용됨을 보여준다. 효과적 장 이론 접근법을 사용해 고체 페르미온의 1-루프 기여를 계산한 결과, 750 GeV 공명에서 $S \to Zh$ 붕괴율이 $S \to \gamma\gamma$ 붕괴율과 유사하거나 이를 초월할 수 있음을 확인하였으며, 이는 모형에 종속되지 않는 강력한 CP 분석 도구가 된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 무거운 게이지 싱เก트 스칼라 $S$에 대한 모형에 종속되지 않은 청소리 있는 CP-홀드 서명을 식별하는 것.
• CP-짝수 스칼라의 경우 붕괴 $S \to Zh$가 금지되나, $S$가 CP-홀드 커플링을 가질 경우에만 허용됨을 보여주는 것.
• 효과적 라그랑지안 프레임워크에서 무거운 페르미온을 통합하여 $S \to Zh$의 1-루프 기여를 계산하는 것.
• ATLAS와 CMS가 관측한 750 GeV 이중광자 공명에 대해 $S \to Zh$의 현상물리적 타당성을 평가하는 것.
• $S \to Zh$ 붕괴율이 $S \to \gamma\gamma$ 붕괴율과 유사하거나 이를 초월할 수 있음을 보여주어, 이는 유망한 발견 채널이 되는 것.

제안 방법

• 차원-5 및 차원-7 연산자를 포함한 모형에 종속되지 않은 효과적 라그랑지안을 구성하여 $S$가 $Zh$와의 커플링을 기술하는 것.
• 무거운 벡터-유사 페르미온을 포함한 1-루프 앰플리튜드를 계산하고, 윌슨 계수를 결정하기 위해 이를 통합하는 것.
• 차원 정규화와 해석적 계속을 사용해 루프 적분의 로그 및 이미너리 부분을 처리하는 것.
• 차원-7 연산자 $O_7$의 윌슨 계수 $C_7$를 유도하여, 이는 $S \to Zh$ 앰플리튜드의 주요 기여를 결정한다.
• 기준 시나리오에 대해 $C_7$를 사용해 붕괴율을 수치적으로 추정하고, $S \to \gamma\gamma$ 붕괴율과 비교하는 것.
• 두 가지 명시적 모형을 분석: 순차적인 네 번째 세대 렙톤 모형과 벡터-유사 쿼크 듀엣 모형을 통해 현상물리적 적용 가능성을 설명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 붕괴 $S \to Zh$는 중량이 큰 게이지 싱게트 스칼라 $S$에 대한 모형에 종속되지 않는 청소리 있는 CP 분석제로 기능할 수 있는가?
• RQ2 나무 수준에서 $S$가 SM 입자와의 커플링이 없는 조건에서 $S \to Zh$ 붕괴 앰플리튜드의 크기는 얼마인가?
• RQ3 750 GeV 공명에서 $S \to Zh$ 붕괴율은 $S \to \gamma\gamma$ 붕괴율과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 무거운 벡터-유사 페르미온을 가진 약한 결합 모형에서 $S \to Zh$ 붕괴가 증폭될 수 있는가?
• RQ5 750 GeV 이중광자 초과 현상에 대해 $S \to Zh$ 붕괴를 관측하는 것이 스핀-2 또는 CP-짝수 스칼라 설명을 배제하는 데 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• CP-짝수 스칼라의 경우 붕괴 $S \to Zh$는 엄격히 금지되나, $S$가 CP-홀드 커플링을 가질 경우에만 허용되므로 청소리 있는 CP 분석제가 된다.
• $S \to Zh$ 앰플리튜드는 토프 쿼크 루프를 통해 차원-5에서 발생하거나, 고체 페르미온을 통합하여 유도된 차원-7 연산자 $O_7$를 통해 발생한다.
• 차원-7 연산자에 대한 윌슨 계수 $C_7$는 $g_t = g_b = 1$일 때 $C_7 \approx 0.036\,c_1 + 0.011\,\tilde{c}_{tt}$이며, $g_t = 2$, $g_b = 0.5$일 때는 $C_7 \approx 0.29\,c_1 - 0.15\,\tilde{c}_{tt}$로 추정된다.
• $M \lesssim 1$ TeV일 경우, $pp \to S \to Zh$ 붕괴율은 자연스럽게 1–10 fb 수준에 도달할 수 있으며, 이는 $S \to \gamma\gamma$ 붕괴율과 유사하거나 이를 초월할 수 있다.
• 순차적인 네 번째 세대 렙톤 듀엣 모형에서는 $S \to Zh$ 붕괴율이 최대 73 fb에 도달할 수 있으며, 이는 현재 실험적 한계에 근접해 있다.
• 벡터-유사 쿼크 듀엣 모형을 포함한 약한 결합 모형에서는 $S \to Zh$ 붕괴율이 1–10 fb 범위에 있으며, 동시에 $Z$ 피크에서의 $b$-쿼크 전후 비대칭을 동시에 설명할 수 있다.