[论文解读] A Scalar Doublet at the Tevatron?

Gino Segrè, Boris Kayser|arXiv (Cornell University)|May 9, 2011

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 5

一句话总结

该论文提出一个真空期望值为零的标量双态，作为对CDF在约150 GeV处观测到的W+ + 二胶子喷注异常现象的简单解释。带电组分$φ^+$衰变为$W^+ + φ^0$，而$φ^0$随后衰变为二胶子喷注，重现了观测到的峰结构，具有各向同性的角分布和纵向W玻色子极化，同时通过约$10^{-2}$量级的小Yukawa耦合避免了味改变的中性流过程。

ABSTRACT

We propose a particularly simple explanation of the W+dijet excess reported by the CDF collaboration. No symmetries beyond those of the standard model are necessary, and the only new particles involved are a spin-zero weak SU(2) doublet with no vacuum expectation value. Possible tests of the model and comparisons to other proposals are discussed.

研究动机与目标

• 解释CDF在约150 GeV处观测到的W+ + 二胶子喷注共振现象，且无需引入新的规范对称性或大的Higgs真空期望值。
• 提出一个仅使用一个无真空期望值的SU(2)双态标量的最小模型。
• 在满足味物理和电弱精确测量约束的前提下，解释观测到的峰结构。
• 将该模型与竞争性解释（如轻子屏蔽型$Z'$或基于强子色动力学的technirho模型）区分开来。
• 预测可检验的信号，包括$W + \ell^+\ell^-$末态中的潜在共振，以及在$\bar{q}q$碰撞中产生$\phi^0$。

提出的方法

• 引入一个新的自旋为零的SU(2)双态标量$φ$，其质量平方为正（$μ^2 > 0$），确保其无真空期望值。
• 构建一个标量势，包含四次耦合$λ_{ab}^{(1)}, \lambda_{ab}^{(2)}, \lambda_{ab}^{(3)}$，以产生质量劈裂$M_{\phi^+} - M_{\phi^0} \sim \lambda v \sim 100\,\text{GeV}$。
• 实现Yukawa耦合$y_{ij} \sim 10^{-2}$至夸克和轻子，由于耦合值较小，可避免味改变的中性流过程。
• 利用衰变链$\bar{q}q \to \phi^+ \to W^+ + \phi^0 \to W^+ + \text{二胶子喷注}$重现观测到的共振。
• 由于自旋为零，预测在$\phi^+$和$\phi^0$静止参考系中角分布为各向同性，并预测W玻色子为纵向极化。
• 与替代模型（如Eichten等人提出的强子色动力学模型）进行比较，突出在$Z$ + 二胶子喷注衰变速率和费米子耦合方面的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个无真空期望值的标量双态能否在不引入新规范对称性的情况下，解释CDF在约150 GeV处观测到的W+ + 二胶子喷注异常？
• RQ2 一个中性标量双态通过其带电伙伴衰变为二胶子喷注，其关键现象学信号是什么？
• RQ3 该模型如何与$Z'$或基于强子色动力学的解释相区别？
• RQ4 味改变的中性流限制对新标量双态的Yukawa耦合施加了何种约束？
• RQ5 $\phi^0$粒子是否可在$\bar{q}q$碰撞中探测，或通过$e^+e^-$共振探测，其条件是什么？

主要发现

• 该模型通过衰变链$\bar{q}q \to \phi^+ \to W^+ + \phi^0 \to W^+ + \text{二胶子喷注}$解释了CDF观测到的W+ + 二胶子喷注异常，其中由于半弱耦合$g \approx 0.65$，$\phi^+$主要衰变为$W^+ + \phi^0$。
• 由于四次耦合和电弱真空期望值$v \approx 240\,\text{GeV}$，$\phi^+$与$\phi^0$之间的质量劈裂约为$100\,\text{GeV}$，确保$\phi^+ \to W^+ + \phi^0$过程在相空间上是允许的。
• $\phi^+$的宽度估计为$\sim (1 - 10)\,\text{GeV}$，与观测到的共振宽度一致。
• 由于自旋为零，$\phi^+$和$\phi^0$静止参考系中的角分布为各向同性，且$W^+$为纵向极化，导致其衰变产物呈现$\sin^2\theta$-类似角分布。
• 该模型预测在$W + \ell^+\ell^-$末态中存在潜在信号，因对轻子有非零耦合，该信号可在Tevatron或LHC上检验。
• $\phi^0$粒子若其对电子的耦合显著，可能在$e^+e^-$碰撞中作为共振被探测；若其质量超过$160\,\text{GeV}$且$W^+W^-$衰变通道开启，则可通过$\bar{q}q$产生被探测。