[论文解读] Cartan's Supersymmetry and the Decay of a $H^0(0^+)$

Sadataka Furui|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 9

一句话总结

该论文提出，希格斯玻色子衰变至双光子（$H^0 \to \gamma\gamma$）通过中间的$\ell\bar{\ell}\ell\bar{\ell}$态进行，通过将$\gamma\gamma$与$\ell\bar{\ell}\ell\bar{\ell}$的总和视为物理上有意义的量，解决了ATLAS与CMS实验测量中分支比的差异。利用卡坦的超对称性，通过旋量与矢量场的三线性相互作用，对希格斯玻色子与轻子及矢量玻色子的耦合进行建模，使用耦合常数$\alpha_s \approx 1$和$\alpha_e = 1/137$重现了观测到的分支比，并通过在$G_2$全息性流形框架下，将750 GeV双光子共振态与超对称的$S$介子态通过色和电荷共轭的相干叠加态联系起来。

ABSTRACT

We compare the decay of a Higgs boson $H^0(0^+) o\ell\bar\ell \ell\bar\ell oγγ$, $H^0(0^+) o W\bar W o \ell\barν\bar\ellν$, and $H^0(0^+) o Z\bar Z o\ell\bar\ell\ell\bar\ell$ using Cartan's supersymmetry, that defines coupling of a vector particle $x_i$ and Dirac spinors $ψ$ and $ϕ$. Apparent discrepancy of $H^0(0^+) oγγ/\ell\bar\ell \ell\bar\ell$ experimental data of ATLAS and CMS collaborations disappears, since the sum of transition to $\ell\bar\ell \ell\bar\ell$ and $γγ$ have the meaning. The trilinearity of leptons vector fields coupling and the initial wave functions to be large components define Higgs-leptons couplings. The ratio of Higgs boson decay branching ratios $H o WW=21.6\pm 0.9$, $H oγγ=0.228\pm 0.011$ can be reproduced when we multiply coupling constant $α_s\simeq 1$ for $WW$ and $α_e=1/137$ for $γγ$ to the number of independent diagrams. Comparison with Atiyah-Witten's quark-gluon dynamics on a manifold of $G_2$ holonomy theory is added.

研究动机与目标

• 通过将这些衰变模式的总和重新解释为物理上有意义的量，解决ATLAS与CMS合作组在$H^0 \to \gamma\gamma$和$H^0 \to \ell\bar{\ell}\ell\bar{\ell}$衰变分支比测量中的实验差异。
• 将卡坦的超对称性形式化应用于通过狄拉克旋量与矢量场的三线性相互作用，建模希格斯玻色子与轻子及矢量玻色子的耦合。
• 通过耦合常数$\alpha_s \approx 1$和$\alpha_e = 1/137$，重现观测到的分支比$H^0 \to WW = 21.6 \pm 0.9\%$和$H^0 \to \gamma\gamma = 0.228 \pm 0.011\%$。
• 在$G_2$全息性流形框架下，通过色和电荷共轭态的相干叠加，将750 GeV双光子共振态与超对称的$S$介子态联系起来。
• 探索在卡坦超对称框架下的$SU(2)_L \otimes U(1)_Y \otimes SU(3)_c$规范理论中，三线性耦合与旋量变换的作用。

提出的方法

• 利用卡坦的超对称性，定义两类狄拉克旋量$\psi$、$\phi$及其电荷共轭态，以及两类矢量粒子$\mathbf{E}$、$\mathbf{E}'$，以建模费米子-玻色子相互作用。
• 应用希格斯玻色子、轻子与矢量场之间的三线性耦合，其中希格斯玻色子通过右旋与左旋轻子$\mathcal{E}_i$、$\mathcal{L}_j$与$\ell\bar{\ell}\ell\bar{\ell}$态耦合。
• 将$H^0 \to \gamma\gamma$衰变建模为两步过程：$H^0 \to \ell\bar{\ell}\ell\bar{\ell}$，随后$\ell\bar{\ell}\ell\bar{\ell} \to \gamma\gamma$，并认为这两个分支比的总和是物理可观测量。
• 为$WW$衰变分配耦合强度$\alpha_s \approx 1$，为$\gamma\gamma$衰变分配$\alpha_e = 1/137$，通过独立费曼图数量的缩放重现实验分支比。
• 引入$G_2$全息性流形框架，描述夸克-胶子系统的动力学，并通过三统一与旋量变换将它们与750 GeV处的$S$介子联系起来。
• 利用超对称变换$G_{12}$、$G_{13}$、$G_{123}$、$G_{132}$实现矢量场与旋量之间的相互映射，通过$\tilde{\phi}$与$\tilde{\psi}$态将$S$介子衰变与$\gamma\gamma$联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何ATLAS与CMS对$H^0 \to \gamma\gamma$与$H^0 \to \ell\bar{\ell}\ell\bar{\ell}$的测量显示出明显差异？如何实现调和？
• RQ2 卡坦的超对称性形式化能否通过三线性耦合与耦合常数解释$H^0 \to WW$、$H^0 \to \gamma\gamma$与$H^0 \to ZZ$的观测分支比？
• RQ3 中间$\ell\bar{\ell}\ell\bar{\ell}$态在介导$H^0 \to \gamma\gamma$衰变中起何作用？为何$\gamma\gamma$与$\ell\bar{\ell}\ell\bar{\ell}$分支比之和是物理上有意义的？
• RQ4 在$\sqrt{s} = 13$ TeV数据中观测到的750 GeV双光子共振态，在卡坦框架下如何与超对称的$S$介子态相关联？
• RQ5 卡坦超对称性中旋量与矢量场的三线性耦合能否在不引入标准模型之外新粒子的前提下，重现观测到的希格斯衰变率？

主要发现

• ATLAS与CMS在$H^0 \to \gamma\gamma$与$H^0 \to \ell\bar{\ell}\ell\bar{\ell}$分支比测量中的表观差异，通过将这两个模式的总和视为物理可观测量而非单独速率得以解决。
• 通过为$WW$耦合分配$\alpha_s \approx 1$并统计独立费曼图数量，重现了分支比$H^0 \to WW = 21.6 \pm 0.9\%$。
• 通过为电磁耦合分配$\alpha_e = 1/137$，并求和涉及$\ell\bar{\ell}\ell\bar{\ell}$中间态的图，重现了分支比$H^0 \to \gamma\gamma = 0.228 \pm 0.011\%$。
• $S$介子在750 GeV处被解释为3种色态与2种电荷共轭态的相干叠加，产生$6 \times 125\,\text{GeV} = 750\,\text{GeV}$，与观测到的共振态一致。
• $G_2$全息性流形框架支持$S$介子作为750 GeV共振态的母态存在，$S$介子通过卡坦超对称性中的三线性耦合衰变为$\gamma\gamma$。
• 超对称变换$G_{12}$、$G_{13}$、$G_{123}$、$G_{132}$实现矢量场与旋量之间的映射，并诱导正反粒子变换，使$\tilde{\phi}$与$\tilde{\psi}$态得以出现，从而介导希格斯衰变。