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

Martin Bauer, Andrea Thamm외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 CP-홀수 스칼라 탐지제로써 붕괴 S → Zh 를 제안하며, CP-짝수 스칼라에서는 금지되나 S가 CP-홀수 결합을 가질 경우에만 허용됨을 보여준다. 고체 페르미온을 고려한 효과적 장 이론 접근법을 통해 저자들은 고체 페르미온에서 기인하는 1-루프 윌슨 계수를 계산하고, S → Zh 붕괴가 관측된 750 GeV 이중광자 공진 상태와 비교하여 비슷하거나 더 큰 비율을 가질 수 있음을 입증한다. 이는 LHC에서 새로운 공진 상태의 CP 성질을 테스트하기 위한 청소리, 모델에 종속되지 않는 서명이다.

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

• 새로운 스핀-0 공진 상태의 CP 양자수를 탐지하기 위한 모델에 종속되지 않고 청소리인 서명을 규명하는 것.
• 이중광자 붕괴가 支배할 경우 CP-짝수와 CP-홀수 스칼라를 구별하는 데 도전하는 문제를 다루는 것.
• S → Zh 붕괴가 CP-짝수 스칼라에서는 금지되나 CP-홀수 또는 혼합-CP 상태일 경우에만 허용됨을 보여주는 것.
• 고체 페르미온을 포함한 효과적 장 이론 프레임워크에서 S → Zh 의 윌슨 계수를 계산하는 것.
• 실제 750 GeV 공진 상태 모델에서 S → Zh 붕괴 비율이 이중광자 비율과 비교하여 유사하거나 초월할 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• SM 게이지 보손과 페르미온과의 S 상호작용을 묘사하기 위해 차원-5 및 차원-6 연산자를 사용한 효과적 라그랑지안 접근법을 사용한다.
• 고체 페르미온에서 기인하는 1-루프 기여를 통해 S → Zh 붕괴 진폭을 계산하고, 관련 윌슨 계수를 유도한다.
• 단위계를 적용하고, 토프 및 바텀 쿼크와의 편포자 유사 상호작용을 통해 CP-홀수 결합을 포함한다.
• 기존 LHC 데이터의 제약 조건을 고려하여 750 GeV 이중광자 공진 상태의 붕괴 비율을 분석한다.
• 강하게 결합된 모형과 약하게 결합된 모형을 모두 고려하며, 제4세대의 벡터-유사 페르미온 쌍과 순차적인 제4세대 렙톤을 포함한다.
• S → Zh 붕괴 비율이 약하게 결합된 모형에서는 1–10 fb 수준에 도달할 수 있고, 강하게 결합된 시나리오에서는 최대 73 fb에 이를 수 있음을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 S → Zh 붕괴는 새로운 스핀-0 공진 상태의 CP 성질을 모델에 종속되지 않고 탐지할 수 있는가?
• RQ2 왜 S → Zh 붕괴는 CP-짝수 스칼라에서는 금지되며, 그 관측이 S의 CP 양자수에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ3 고체 페르미온을 포함한 효과적 장 이론 모형에서 S → Zh 붕괴 비율은 어느 정도인가?
• RQ4 750 GeV 공진 상태에 대해 S → Zh 비율이 관측된 이중광자 비율과 비교하여 유사하거나 초월할 수 있는가?
• RQ5 S → Zh 관측의 현상학적 함의는 스핀-0와 스핀-2 해석 간의 구별에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• S → Zh 붕괴는 CP-짝수 스칼라에서는 엄격히 금지되나, S가 CP-홀수 결합을 가질 경우에만 허용되며, 이는 편포자 또는 혼합-CP 상태의 결정적 증거가 된다.
• S → Zh 의 윌슨 계수는 고체 페르미온에서 기인한 1-루프 순서로 계산되었으며, 주로 토프 및 바텀 쿼크에서 기인한 기여가 지배적이다.
• 순차적인 제4세대 무거운 렙톤 모형에서는 S → Zh 붕괴 비율이 최대 73 fb에 도달할 수 있으며, 현재의 실험적 제약에 가까워진다.
• 고체 벡터-유사 페르미온 쌍을 포함한 약하게 결합된 모형에서는 S → Zh 붕괴 비율이 1–10 fb 범위로 예측되며, LHC 감도와 일치한다.
• S → Zh 관측은 스핀-2 해석을 배제하고 공진 상태의 편포자 성질을 확인할 수 있다.
• S → Zh 붕괴는 각도 분포 분석이 필요 없이도 CP 성질을 강력하게 독립적으로 탐지할 수 있는 강력한 도구를 제공한다.