[论文解读] Searching for new physics in bottomonium decays

Miguel-Angel Sanchis-Lozano|ArXiv.org|Oct 28, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 5

一句话总结

本文提出，底夸克偶素衰变中轻子 universality 的偏离——特别是 Upsilon 共振态中 τ 末态分支比的增强——可能暗示新物理的存在，例如一个轻的 CP 奇异 Higgs 玻色子介导了到中间 $\eta_b$ 态的隐形 M1 跃迁，随后通过 Higgs 介导的 $\tau^+\tau^-$ 衰变。在 $\Upsilon(3S)$ 中观测到的 $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$ 与这种级联过程的分支比为 $10^{-2}-10^{-1}$ 一致，表明存在一个质量约为 $m_{\Upsilon(1S)}$ 的轻 Higgs 玻色子，且 $\tan\beta$ 适中。

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).

研究动机与目标

• 利用更新的 CLEO 数据对 $\Upsilon(nS) \to \ell^+\ell^-$ 分支比，检验底夸克偶素轻子衰变中的轻子 universality。
• 研究观测到的 $R_{\tau/\ell}$ 比值偏离是否可能暗示标准模型之外的新物理。
• 探讨轻的 CP 奇异 Higgs 玻色子与赝标量底夸克偶素态混合的可能性，从而改变超精细分裂和衰变率。
• 评估级联衰变机制 $\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(n'S) \to \gamma_s \tau^+\tau^-$ 的可行性，其中软光子未被探测到。
• 将 $\eta_b$ 共振态未被观测到的现象与一个涉及 Higgs 介导的 $b\bar{b}$ 宇称湮灭为 $\tau^+\tau^-$ 对的理论框架相协调。

提出的方法

• 分析使用 CLEO 和 PDG 测得的轻子衰变分支比，计算 $R_{\tau/\ell}(nS) = \frac{\mathcal{B}[\Upsilon(nS)\to\tau\tau] - \mathcal{B}[\Upsilon(nS)\to\ell\ell]}{\mathcal{B}[\Upsilon(nS)\to\ell\ell]}$ 作为检验轻子 universality 破坏的统计量。
• 论文建立级联衰变过程的模型：$\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(n'S)$ 通过磁偶极（M1）跃迁，随后 $\eta_b(n'S) \to \tau^+\tau^-$ 通过 Higgs 交换。
• M1 跃迁的分支比通过公式 $\mathcal{B}[\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(n'S)] \propto \alpha \cdot e_b^2 \cdot k^3 \cdot I$ 估算，其中 $I$ 为波函数重叠。
• Higgs 介导的 $\eta_b \to \tau^+\tau^-$ 宽度建模为 $\Gamma[\eta_b \to \tau^+\tau^-] \propto \frac{m_b^4 m_\tau^2 (1-4x_\tau)^{1/2} |R_n(0)|^2 \tan^4\beta}{(m_{\eta_b}^2 - m_{A^0}^2)^2 v^4}$，假设 $\mathcal{B} \approx 1$。
• 该模型假设 M1 跃迁中未探测到的软光子被错误归因于 $\tau^+\tau^-$ 最终态，导致观测到的 $R_{\tau/\ell} > 0$。
• 通过 LEP 约束和 NMSSM 等模型检验理论一致性，其中轻的 CP 奇异 Higgs 可避开标准 Higgs 质量界限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\Upsilon(3S)$ 中观测到的 $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$ 能否通过涉及轻 Higgs 玻色子的新物理机制解释？
• RQ2 在 $\eta_b$ 主要通过 Higgs 介导的 $\tau^+\tau^-$ 通道衰变的场景下，$\eta_b$ 共振态未被观测到是否与之相容？
• RQ3 CP 奇异 Higgs 与赝标量底夸克偶素态之间的混合是否会导致超精细分裂与标准模型预期的可测量偏离？
• RQ4 能否通过一个包含未探测软光子的级联衰变过程，一致地解释 $\Upsilon(nS) \to \ell^+\ell^-$ 和 $\Upsilon(nS) \to \tau^+\tau^-$ 的测量分支比？
• RQ5 在所提出的模型中，重现观测到的 $R_{\tau/\ell}$ 值所需的 $\tan\beta$ 和 $m_{A^0}$ 取值是多少？

主要发现

• $\Upsilon(3S)$ 的 $R_{\tau/\ell}$ 比值测量为 $0.31 \pm 0.17$，表明与轻子 universality 的偏离具有 $1\%$ 的显著性。
• $\Upsilon(1S)$、$\Upsilon(2S)$ 和 $\Upsilon(3S)$ 的 $R_{\tau/\ell}$ 值分别为 $0.12 \pm 0.06$、$0.07 \pm 0.05$ 和 $0.15 \pm 0.15$，显示出 τ 末态中增强的稳定模式。
• 观测到的 $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$ 与一个分支比为 $10^{-2}-10^{-1}$ 的级联衰变机制相容，即 $\Upsilon(nS) \to \gamma_s \eta_b(1S)$，假设 $\mathcal{B}[\eta_b \to \tau^+\tau^-] \approx 1$。
• 当 $\tan\beta = 15$ 且 $M_{\Upsilon} - M_{A^0} = 250$ MeV 时，该模型预测 $R_{\tau/\ell} \approx 0.1$，与观测值一致。
• CLEO 数据中未观测到 $\eta_b$ 态，可能是因为其主要通过轻 Higgs 介导的 $\tau^+\tau^-$ 衰变，使其在标准搜索中不可见。
• 与 NMSSM 及其他 2HDM 模型的理论一致性支持存在一个质量约为 $m_{\Upsilon(1S)}$ 的轻 CP 奇异 Higgs 玻色子，作为解释数据的可行方案。