[论文解读] A light non-standard Higgs boson: to be or not to be at a (Super) B factory?

Miguel-Angel Sanchis-Lozano|ArXiv.org|Sep 24, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 7

一句话总结

本文研究了在高亮度B工厂或超级B工厂中，通过底夸克偶素态（$\Upsilon$）的辐射衰变，探测在下一个最小超对称标准模型（NMSSM）中可能存在的轻量、主要为单态型的CP奇性Higgs玻色子的可能性。该Higgs玻色子质量约为10 GeV，由于$\tan\beta$较大及混合效应，对底夸克型费米子的耦合增强，可通过$\Upsilon \to \tau^+\tau^-\gamma$衰变中的轻子普适性破坏被探测到，信号水平可达百分之几的量级。

ABSTRACT

A light non-standard Higgs boson decaying mainly into $τ^+τ^-$ has not been yet ruled out by LEP searches in several scenarios. We verify that, in the context of the Next-to-Minimal-Supersymmetric Standard Model, a low-mass CP-odd (mostly but not completely singlet-like) Higgs boson can couple strongly enough to down-type fermions to be detected in radiative $Υ$ decays into tauonic pairs at a high-luminosity B factory. Possible spectroscopic effects of a mixing with $η_b$ resonances are also analyzed

研究动机与目标

• 探讨在（超级）B工厂中探测NMSSM中轻量、主要为单态型的CP奇性Higgs玻色子的可行性。
• 评估该Higgs玻色子是否可通过底夸克偶素的辐射衰变$\Upsilon \to \tau^+\tau^-$产生并被观测到。
• 研究$A^0$与$\eta_b$共振态之间的混合对底夸克偶素谱学的影响。
• 检验$\Upsilon$衰变中轻子普适性破坏作为新赝标量Higgs玻色子的探测信号。

提出的方法

• 在小三线耦合极限下，利用NMSSM框架分析最轻CP奇性Higgs玻色子的质量与混合结构，以$\cos\theta_A$与$m_{A^0}$为参数。
• 推导出$A^0$对底夸克型费米子的有效Yukawa耦合为$\sim \cos\theta_A \tan\beta$，即使在$\cos\theta_A \ll 1$时也能实现增强耦合。
• 通过混合参数$X_d = \cos\theta_A \tan\beta$建模$A^0$与$\eta_b(1S)$态之间的混合，影响$\eta_b$共振态的物理质量位移。
• 研究辐射衰变$\Upsilon \to \tau^+\tau^-\gamma$，其中Higgs介导的振幅对$\tau$末态有贡献，从而在轻子普适性破坏中形成可观测信号。
• 使用分支比之比$\mathcal{R}_{\tau/\ell} = \mathcal{B}_{\tau\tau}/\mathcal{B}_{\ell\ell} - 1$作为新物理探测工具，对$\Upsilon(1S)$、$\Upsilon(2S)$与$\Upsilon(3S)$进行数值分析。
• 理论预测的超精细分裂$m_{\Upsilon} - m_{\eta_b}$被修正以包含混合效应，其位移依赖于$X_d$与质量差$m_{A^0} - m_{\eta_{b0}}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在（超级）B工厂中，能否通过底夸克偶素的辐射衰变探测到NMSSM中轻量、主要为单态型的CP奇性Higgs玻色子？
• RQ2 A^0与$\eta_b$之间的混合对底夸克偶素谱学，特别是对$\Upsilon$–$\eta_b$质量分裂的影响是什么？
• RQ3 $\Upsilon$衰变中轻子普适性破坏能否作为新赝标量Higgs玻色子的可观测信号？
• RQ4 分支比$\mathcal{B}_{\tau\tau}$与$\mathcal{B}_{\ell\ell}$如何依赖于Higgs质量与混合参数？
• RQ5 $\Upsilon(2S)$与$\Upsilon(3S)$衰变相对于$\Upsilon(1S)$对新物理信号的预期灵敏度如何？

主要发现

• 当$|X_d| = |\cos\theta_A| \tan\beta \simeq 10$且$\tan\beta$较大时，NMSSM中可实现质量约为10 GeV的轻量CP奇性Higgs玻色子，且仍保持主要为单态型（$\cos^2\theta_A \sim$ 几个百分点）。
• 由$\cos\theta_A \tan\beta$驱动的对底夸克型费米子的增强Yukawa耦合，使$A^0$可避开LEP实验的约束，同时仍可通过$\Upsilon$衰变被探测。
• $A^0$与$\eta_b$共振态之间的混合可显著位移物理$\eta_b$质量，当$|X_d|$较大时，甚至可能反转$\Upsilon$–$\eta_b$质量顺序。
• 对于$\Upsilon(2S)$与$\Upsilon(3S)$衰变，比率$\mathcal{R}_{\tau/\ell}$可达到百分之几，使其比$\Upsilon(1S)$更具探测轻子普适性破坏的潜力。
• $\Upsilon(1S)$衰变中的共振贡献在$\mathcal{R}_{\tau/\ell}$中产生明显的隆起，而$\Upsilon(2S)$与$\Upsilon(3S)$中的非共振抑制则导致下凹，但整体信号仍可在百分之几水平被探测到。
• $\Upsilon(2S)$与$\Upsilon(3S}$衰变因主导的Wilczek机制，更有利于实验观测，该机制增强了Higgs介导的$\tau^+\tau^-$末态。