[论文解读] Has A 125 GeV Pseudoscalar Resonance Been Observed at the LHC?

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 3

一句话总结

该论文提出，LHC观测到的125 GeV共振态可能并非标准模型的希格斯玻色子，而是一种赝标量夸克偶素态（$\zeta^{0}$），其源于底夸克偶素与顶夸克偶素之间的混合。基于非相对论性夸克模型，该研究显示$\zeta^{0}$的$\gamma\gamma$和$gg$衰变宽度与希格斯玻色子显著不同，且通过测量产生截面可实验区分这两种粒子。

ABSTRACT

We conjecture that a 125 GeV resonance $ζ^0$ with $J^{PC}=0^{-+}$ composed of a quark-antiquark state may have been observed at the LHC. The decay modes of this pseudoscalar particle are determined using the non-relativistic quark model. The leading order partial decay widths for the decays of the pseudoscalar quarkonium resonance $ζ^0 ightarrow γγ$ and $ζ^0 ightarrow gg$ are compared to the standard model Higgs particle decays $H^0 ightarrow γγ$ and $H^0 ightarrow gg$. An experimental analysis at the LHC of the observed production cross sections for the $ζ^0$ and the Higgs particle could distinguish between a heavy quarkonium $ζ^0$ particle and a light Higgs particle at 125 GeV.

研究动机与目标

• 探究ATLAS与CMS观测到的125 GeV共振态是否可能为赝标量夸克偶素态而非标准模型希格斯玻色子。
• 若该共振态为重夸克偶素态而非基本希格斯粒子，探讨其对电弱对称性自发破缺的含义。
• 通过实验测量产生截面与分支比，区分$\zeta^{0}$夸克偶素共振态与轻希格斯粒子。
• 分析底夸克偶素与顶夸克偶素态之间混合在生成125 GeV赝标量共振态中的作用。

提出的方法

• 使用非相对论性夸克模型计算$\zeta^{0} \rightarrow \gamma\gamma$与$\zeta^{0} \rightarrow gg$的树图部分衰变宽度。
• 应用有效哈密顿量形式，利用质量矩阵$\mathcal{M}$描述$|B\rangle = |b\bar{b}\rangle$与$|T\rangle = |t\bar{t}\rangle$态之间的混合。
• 通过质量矩阵的对角化，利用约36°的混合角$\phi$，推导出质量本征态$m_{\zeta^{0}} \sim 125$ GeV与$m_{\zeta^{0'}} \sim 230$ GeV。
• 使用库仑近似计算衰变宽度，其中S波夸克偶素的$|R_0(0)|^2 \propto \alpha_s^3 m_{\zeta^{0}}$。
• 利用窄宽度近似与胶子融合主导机制，比较$\sigma(pp \rightarrow \zeta^{0} + X)$与希格斯玻色子的产生截面。
• 定义比值$\mu = \sigma_\zeta / \sigma_H$以比较$\gamma\gamma$衰变率，若$\mu > 1$则支持$\zeta^{0}$的解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC在$\gamma\gamma$道中观测到的125 GeV共振态是否可能为赝标量夸克偶素态而非标准模型希格斯玻色子？
• RQ2 125 GeV处$\Gamma(\zeta^{0} \rightarrow \gamma\gamma)$与$\Gamma(\zeta^{0} \rightarrow gg)$的衰变宽度与希格斯玻色子相比如何？
• RQ3 在$gg$融合过程中，125 GeV共振态的产生截面能否区分$\zeta^{0}$夸克偶素态与希格斯玻色子？
• RQ4 底夸克偶素与顶夸克偶素之间的混合在生成125 GeV赝标量态中起何作用？
• RQ5 若125 GeV共振态中未观测到显著的$WW^*$与$ZZ^*$衰变，是否支持其为赝标量夸克偶素的解释？

主要发现

• 125 GeV共振态被解释为由$|b\bar{b}\rangle$与$|t\bar{t}\rangle$态混合形成的$\zeta^{0}$夸克偶素态，混合角$\phi \sim 36^\circ$。
• 计算得到的$\zeta^{0}$态质量为$m_{\zeta^{0}} \sim 125$ GeV，与观测共振态一致，而伴随态$\zeta^{0'}$的质量为$m_{\zeta^{0'}} \sim 230$ GeV。
• $\Gamma(\zeta^{0} \rightarrow \gamma\gamma)$的分支宽度与$\alpha^2 \alpha_s^3 m_{\zeta^{0}}$成正比，其与希格斯衰变宽度的差异源于耦合常数的因子差异。
• $\gamma\gamma$产生过程的比值$\mu = \sigma_\zeta / \sigma_H$预测大于1，表明$\zeta^{0}$的产生截面可能大于希格斯玻色子。
• $\zeta^{0}$态对$WW^*$与$ZZ^*$的耦合被抑制，与希格斯玻色子不同，可通过分支比测量进行检验。
• 若125 GeV共振态被证实为赝标量夸克偶素，则意味着标准模型希格斯玻色子不存在，电弱对称性自发破缺将由一种新的强相互作用动力学机制导致，涉及费米子凝聚。