[论文解读] Comment on the evidence of the Higgs boson at LHC

Paolo Cea|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 11

一句话总结

本文提出，LHC 观测到的 125 GeV 呈现的共振态可能并非标准模型的希格斯 boson，而是一种由 $t\bar{t}$ 色胶子束缚态与赝标量胶球混合而成的赝标量介子（$J^{PC} = 0^{-+}$）。该模型能够解释观测到的光子衰变率 $\gamma\gamma$ 与强子衰变率，同时由于电荷共轭对称性而自然抑制了带电轻子的衰变，为 LHC 数据提供了一种替代解释。

ABSTRACT

We comment on the Standard Model Higgs boson evidence from LHC. We propose that the new resonance at 125 GeV could be interpreted as a pseudoscalar meson with quantum number $J^{PC} = 0^{- +}$. We show that this pseudoscalar could mimic the decays of the Standard Model Higgs boson in all channels with the exception of the decay into two leptons that is strongly suppressed due to charge-conjugation invariance.

研究动机与目标

• 探索对 LHC 中 125 GeV 共振态的非标准模型希格斯玻色子之外的替代解释。
• 解释各种衰变道中观测到的信号强度，特别是双光子增强与 $\tau^+\tau^-$ 不足现象。
• 通过具有 $J^{PC} = 0^{-+}$ 的赝标量态解释轻子衰变道中无信号的现象，该态通过电荷共轭对称性抑制 $\ell^+\ell^-$ 衰变。
• 研究 $t\bar{t}$ 色胶子束缚态与赝标量胶球混合在生成质量约为 125 GeV 的轻赝标量态中的作用。
• 评估此类态是否可在除 $\ell^+\ell^-$ 之外的所有衰变道中模拟标准模型希格斯玻色子的衰变行为，而 $\ell^+\ell^-$ 衰变则因自然抑制而表现异常。

提出的方法

• 使用包含 Cornell 势的非相对论势模型估算 $t\bar{t}$ 赝标量态的质量，得到 $m_{\eta_t} \simeq 321$ GeV。
• 引入重 $t\bar{t}$ 态与较轻的 $b\bar{b}$ 态之间的混合，但该机制因顶夸克质量过大导致湮灭成两个胶子的幅度极小而被排除。
• 考虑与赝标量胶球（$\eta_g$）的混合作为可行替代方案，假设 $f_{\eta_g} \simeq f_\pi$。
• 使用基于 QCD 的公式计算衰变宽度：$\Gamma[\eta_t \to \gamma\gamma] \propto \alpha^2 |\Psi_{00}(0)|^2 / m_{\eta_t}^2$。
• 估算 $\gamma\gamma$ 总宽度为 $t\bar{t}$ 与胶球组分贡献之和：$\Gamma_{\gamma\gamma} \simeq 110$ KeV。
• 应用低能定理与异常相关论证，支持胶球与夸克胶子束缚态具有相近的 $\gamma\gamma$ 耦合强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC 中 125 GeV 的共振态是否可被一致地解释为具有 $J^{PC} = 0^{-+}$ 的赝标量介子，而非标准模型希格斯玻色子？
• RQ2 为何轻子衰变道中无信号出现？这一现象是否可通过对称性抑制机制解释？
• RQ3 与赝标量胶球混合的 $t\bar{t}$ 夸克胶子束缚态能否重现 $\gamma\gamma$、$ZZ^*$、$WW^*$ 与 $\gamma\gamma$ 衰变中观测到的信号强度？
• RQ4 胶球组分在抑制 $\ell^+\ell^-$ 衰变的同时，如何增强 $\gamma\gamma$ 衰变宽度？
• RQ5 如何通过实验手段测定共振态的自旋与宇称，以区分标量与赝标量假设？

主要发现

• $t\bar{t}$ 赝标量态本身过重（$m_{\eta_t} \simeq 321$ GeV），无法解释 125 GeV 共振态，因此必须与更轻的态发生混合。
• 由于顶夸克质量过大，$t\bar{t}$ 与 $b\bar{b}$ 态之间的混合可忽略不计，因为该过程的湮灭振幅极小。
• 赝标量胶球组分对 $\gamma\gamma$ 衰变宽度有显著贡献，导致 $\Gamma[\eta_{gt} \to \gamma\gamma] \simeq 110$ KeV。
• $\ell^+\ell^-$ 衰变宽度相比 $\gamma\gamma$ 衰变被抑制约 $\sim \alpha^2 \sim 10^{-4}$ 倍，与轻子道中无信号的观测结果一致。
• 来自 $t\bar{t}$ 与胶球组分的 $\gamma\gamma$ 总宽度估计为 $\sim 110$ KeV，与实验观测值相当。
• 该模型为除 $\ell^+\ell^-$ 外的所有观测衰变道提供了自洽解释，而 $\ell^+\ell^-$ 衰变则因电荷共轭对称性而自然抑制。