[论文解读] Scalar decay into pions via Higgs portal

Dmitry Gorbunov, Ekaterina Kriukova+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文通过使用来自 $\bar{u}u$-介导的 $\bar{u}u$ 过程的引力形式因子，解决了Higgs门户模型中矢量介子衰变率长期存在的不确定性，将理论不确定性从约100倍降低至约2倍。结果表明，在1.5–2 GeV附近，π介子与胶子衰变模式之间存在平滑过渡，从而可实现对未来实验灵敏度更精确的预测。

ABSTRACT

In extensions of the Standard Model (SM) of particle physics a light scalar from a hidden sector can interact with known particles via mixing with the SM Higgs boson. If the scalar mass is of GeV scale, this coupling induces the scalar decay into light hadrons, that saturates the scalar width. Searches for the light scalars are performed in many ongoing experiments and planned for the next generation projects. Applying dispersion relations changes the leading order estimate of the scalar decay rate into pions by a factor of about a hundred indicating the strong final state interaction. This subtlety for about thirty years prevented any reliable inference of the model parameters from experimental data. In this Letter we use the gravitational form factor for neutral pion extracted from analysis of $γ^*γ oπ^0π^0$ processes to estimate the quark contribution to scalar decay into two pions. We find a factor of two uncertainty in this estimate and argue that the possible gluon contribution is of the same order. The decay rate to pions smoothly matches that to gluons dominating for heavier scalars. With this finding we refine sensitivities of future projects to the scalar-Higgs mixing. The accuracy in the calculations can be further improved by performing similar analysis of $γ^*γ o K K$ and $γ^*γ oηη$ processes and possibly decays like $J/ψ oγ+ππ$.

研究动机与目标

• 解决Higgs门户模型中矢量介子衰变至π介子的长期存在的约100倍理论不确定性问题。
• 通过准确估算衰变宽度至π介子，提高对矢量介子-Higgs混合的实验约束的可靠性。
• 在GeV质量范围内建立π介子与胶子衰变模式之间的对偶性，其中两者均显著贡献。
• 为未来实验更新对轻标量粒子的灵敏度提供稳健框架。
• 识别关键的强子过程（如 $\bar{\nu}\nu$-介导的 $\bar{\nu}\nu$ 散射和 $J/\psi \to \gamma + \pi\pi$）以进一步改进衰变率计算。

提出的方法

• 作者利用对 $\gamma^*\gamma \to \pi^0\pi^0$ 过程的分析提取出中性π介子的引力形式因子，以估算标量粒子衰变至两π介子时夸克的贡献。
• 应用色散关系以考虑最终态相互作用，将一阶近似估计修正约100倍，此前该修正曾阻碍可靠参数推断。
• 该方法结合了下一阶微扰QCD（NLO）修正和规范有效场论（ChPT）以进行一致性检验，尤其在低质量区域。
• 分析与Donoghue等人（1990年）及Bezrukov与Gorbunov（2010年）的现有结果进行了对比，结果表明未出现因轻标量共振态（如 $f_0(500)$ 或 $f_0(980)$）引起的峰状结构。
• 作者估算胶子贡献与夸克贡献处于同一数量级，从而支持两者的联合处理。
• 通过验证在 $M_S \sim 1.5-2$ GeV 附近，π介子衰变宽度与胶子衰变宽度平滑匹配，证实了强子衰变中夸克与胶子贡献之间的对偶性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Higgs门户模型中，考虑到以往估计中约100倍的长期不确定性，轻标量粒子衰变至两π介子的正确衰变率是什么？
• RQ2 最终态相互作用与非微扰QCD效应如何影响标量粒子衰变至π介子的宽度？
• RQ3 在GeV质量范围内，夸克与胶子对标量粒子衰变至π介子的贡献在多大程度上相互平衡？
• RQ4 能否可靠地利用 $\gamma^*\gamma \to \pi^0\pi^0$ 的引力形式因子来估算标量粒子衰变至π介子的振幅？
• RQ5 更新后的衰变率如何影响未来实验对标量-Higgs混合参数 $\xi$ 的预期灵敏度？

主要发现

• 通过使用来自 $\gamma^*\gamma \to \pi^0\pi^0$ 过程的引力形式因子，标量粒子衰变至π介子的理论不确定性从约100倍降低至约2倍。
• 在标量质量约为1.5–2 GeV时，π介子衰变宽度与胶子衰变宽度平滑匹配，表明夸克与胶子贡献之间存在对偶性。
• 标量粒子衰变至π介子的夸克贡献估计具有约两倍的不确定性，而胶子贡献与之处于同一数量级。
• 该模型中未出现因轻标量共振态（如 $f_0(500)$ 或 $f_0(980)$）引起的衰变率峰状结构，这些共振态在此背景下或为宽态，或无动力学显著性。
• 包含修正后的π介子衰变宽度显著提高了分支比预测的准确性，并更新了未来实验在标量-Higgs混合参数空间中的预期探测范围。
• 通过进一步分析 $\gamma^*\gamma \to KK$、$\gamma^*\gamma \to \eta\eta$ 和 $J/\psi \to \gamma + \pi\pi$ 等过程，有望进一步提升计算精度。