[论文解读] Prospects of probing new physics in bottomonium decays and spectroscopy

Miguel-Angel Sanchis-Lozano|ArXiv.org|Mar 26, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用 3

一句话总结

本文提出，一种非标准的轻量CP奇异性希格斯玻色子可通过软光子的虚交换，在底夸克偶素的轻子衰变中诱导可观测的轻子 universality 破坏，特别是在Upsilon共振态的τ子衰变道中。若τ子分支比与轻子 universality 的偏差达到10%，将标志此类新物理的存在，而光子谱中的尖锐峰则可作为确定希格斯玻色子质量的“确凿证据”（smoking gun）信号。

ABSTRACT

A non-standard CP-odd Higgs boson could induce a slight (but observable) lepton universality breaking in Upsilon leptonic decays. Moreover, mixing between such a pseudoscalar Higgs boson and $η_b$ states might shift their mass levels, thereby modifying the values of the $M_{Υ(nS)}-M_{η_b(nS)}$ hyperfine spplitings predicted in the standard model. Besides, $η_b$ resonances could be broader than expected with potentially negative consequences for discovery in both $e^+e^-$ and hadron colliders. A scenario with a CP violating Higgs sector is also considered. Finally, further strategies to search for a light Higgs particle in bottomonium decays are outlined.

研究动机与目标

• 研究Upsilon轻子衰变中偏离轻子 universality 的现象是否可作为标准模型之外轻量CP奇异性希格斯玻色子的信号。
• 评估赝标量希格斯玻色子与ηb态之间的混合对超精细劈裂及共振态宽度的影响。
• 评估在新物理情景下，ηb共振态在e⁺e⁻和强子对撞机上的可探测性，尤其当宽度增强时。
• 探讨Upsilon衰变作为探测轻量希格斯玻色子的潜力，特别是在希格斯 sector 中存在CP破坏的场景下。
• 提出一种通过单能光子信号与τ±自旋极化测量识别轻量希格斯玻色子的策略。

提出的方法

• 分析采用有效衰变振幅 γsA⁰ → ℓ⁺ℓ⁻，其中A⁰为轻量CP奇异性希格斯玻色子，γs为软的、不可探测的光子，以模拟Upsilon轻子衰变中的非标准贡献。
• 定义比值 Rτ = [Γ(Υ → γsτ⁺τ⁻)] / Γ(em)ee 以量化对轻子 universality 的偏离，标准模型中预期 Rτ = 0。
• 推导出基于质量依赖的宽度，来自希格斯贡献的衰变导致轻子 universality 的表观破坏，尤其在τ⁺τ⁻道道中显著。
• 该模型考虑CP奇异性希格斯玻色子与ηb(nS)态之间的混合，使MΥ(nS) − Mηb(nS)超精细劈裂超出标准模型预测。
• 将ηb宽度的理论估计扩展至包含希格斯介导的衰变，预测其宽度展宽，可能在强子对撞机上阻碍探测。
• 分析了MSSM希格斯 sector 中存在CP破坏的场景，允许出现轻量H₁态且Z耦合被抑制，与LEP约束一致，并产生新物理信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻量CP奇异性希格斯玻色子能否解释Upsilon轻子衰变中10%的轻子 universality 偏离？
• RQ2 赝标量希格斯玻色子与ηb态之间的混合如何影响MΥ(nS) − Mηb(nS)超精细劈裂？
• RQ3 ηb宽度增强对e⁺e⁻与强子对撞机上ηb共振态发现意味着什么？
• RQ4 在τ⁺τ⁻衰变事例中观测到（准）单能光子是否可作为轻量希格斯玻色子的决定性信号？
• RQ5 Upsilon衰变在多大程度上可约束如NMSSM或CP破坏MSSM等模型中轻量希格斯玻色子的参数空间？

主要发现

• 非标准的轻量CP奇异性希格斯玻色子可在Upsilon衰变中诱导10%的轻子 universality 破坏，尤其在τ⁺τ⁻道道中，由Rτ ≠ 0量化。
• CP奇异性希格斯玻色子与ηb态之间的混合可使MΥ(nS) − Mηb(nS)超精细劈裂偏离标准模型预测，具体取决于质量顺序。
• 当tanβ值较大时，ηb共振态的宽度显著增大，可能导致强子对撞机衰变模式中分支比降低一个数量级。
• 若在约10%的τ⁺τ⁻衰变事件中探测到（准）单能光子，将作为轻量希格斯玻色子的“确凿证据”信号，并可直接测量其质量。
• 对末态τ±的极化分析有助于确定中介希格斯玻色子的CP量子数。
• 若Upsilon衰变中轻子 universality 得到证实，则将关闭低于底阈值开放区域的轻量希格斯玻色子质量窗口，排除其他实验难以探测的区域。