[论文解读] Golden Probe of the di$-Υ$ Threshold

Yi Chen, Roberto Vega-Morales|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文提出利用四轻子末态中的归一化完全微分衰变宽度，探测大型强子对撞机（LHC）中近双Υ阈值处的假设自旋-0共振态的CP和张量性质。基于有效场论算符的矩阵元方法框架表明，仅需10至100个信号事例即可直接确定该共振态的CP和张量结构，为区分四底夸克QCD四价子与标准模型之外的更奇特物理提供有力工具。

ABSTRACT

Recent studies indicate that the ground state of a QCD four bottom quark system may form a resonance in the range $\sim 18 -19$ GeV, near the di-$Υ$ threshold, which may be observable at the LHC in the four lepton final state. These studies also predict a variety of possible resonances associated with the various excited states and allow for a number of possible spin and $CP$ quantum numbers. Of course, even if a resonance is observed in four leptons in the predicted mass range, it will be prudent to experimentally confirm its four bottom quark QCD nature or whether it is perhaps something more exotic. We initiate an investigation in this direction by exploring the ability of the \emph{normalized} fully differential decay width for decays to four leptons to probe the underlying nature of a putative resonance including $CP$ and tensor properties. We assume the first observed state is a spin-0 boson decaying to at least one on-shell $Υ$, but allow for decays to four leptons through $ΥΥ,\,Υγ$, and $ΥZ$ vector boson pairs. We consider a range of resonance masses around the di-$Υ$ threshold and find excellent prospects at the LHC for establishing its $CP$ and tensor properties, perhaps not long after a discovery depending on (unknown) production cross sections and the exact resonance mass.

研究动机与目标

• 探究大型强子对撞机（LHC）是否能够通过四轻子衰变确定近双Υ阈值处假设共振态的CP和张量量子数。
• 评估四轻子衰变道对区分四底夸克四价子与标准模型之外的超越新物理的敏感度。
• 评估利用归一化完全微分衰变宽度在最小有效耦合假设下探测共振态性质的可行性。
• 探索矩阵元方法分析在提取形式因子和探测稀有衰变中CP破坏效应方面的潜力。
• 为未来实验验证观测到的共振态本质（质量范围18–19 GeV）提供一个框架。

提出的方法

• 本研究采用通用有效场论框架，对自旋-0共振态与矢量玻色子对（ΥΥ、ΥZ、Υγ）的耦合进行建模。
• 利用矩阵元方法（MEM）分析四轻子末态的完全微分衰变宽度，包括树图阶QCD背景。
• 假设每次仅一种主导有效算符存在，对Υ、Z和γ矢量玻色子的耦合进行假设检验。
• 分析涵盖共振态质量位于、低于和高于双Υ阈值的情况，重点关注低于阈值约500 MeV的态。
• 基于信号事例数评估灵敏度，重点关注探测器分辨率和干涉效应对结果的影响。
• 该框架可未来扩展至多参数拟合，以提取形式因子并探测CP破坏。

实验结果

研究问题

• RQ1 大型强子对撞机（LHC）能否通过四轻子衰变确定近双Υ阈值处假设共振态的CP量子数？
• RQ2 归一化完全微分衰变宽度对区分衰变链中Υ、Z和γ贡献的敏感度如何？
• RQ3 在四轻子末态中，确定一个共振态的张量和CP结构，最少需要多少信号事例？
• RQ4 不同有效算符之间的干涉效应是否可在四轻子末态中被探测？
• RQ5 探测器分辨率效应在CP和张量性质测量精度中起什么作用？

主要发现

• 在四轻子末态中，仅需10至100个信号事例，即可足够探测近双Υ阈值处共振态的CP和张量性质。
• 归一化完全微分衰变宽度对底层动力学具有强敏感性，包括耦合中的CP奇和张量结构。
• 若Υγ或ΥZ贡献显著超过ΥΥ贡献，将是标准模型之外新物理的强烈暗示。
• 不同有效算符之间的干涉效应可能具有重要意义，并可在未来多参数拟合中用于提取多个形式因子。
• 探测器分辨率效应预计将发挥重要作用，必须纳入以实现灵敏度的精确量化。
• 该方法可推广至任何衰变至四轻子的轻标量共振态，包括其他奇特多夸克态。