[论文解读] The "forgotten" decay S -> Z+h as a CP analyzer

Martin Bauer, Matthias Neubert+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文提出将衰变 $S \to Zh$ 作为CP奇标量的探测工具，表明该过程对CP偶标量被禁止，仅当$S$具有CP奇耦合时才被允许。通过有效场论方法，作者计算了重费米子的单圈贡献，发现对于750 GeV共振态，$S \to Zh$的衰变宽度可能与$S \to \gamma\gamma$相当甚至更大，使其成为一种强大且模型无关的CP分析工具。

ABSTRACT

Scalar particles $S$ which are gauge singlets under the Standard Model are generic features of many models of fundamental physics, in particular as possible mediators to a hidden or dark sector. We show that the decay $S o Zh$ provides a powerful probe of the CP nature of the scalar, because it is allowed only if $S$ has CP-odd interactions. We perform a model-independent analysis of this decay in the context of an effective Lagrangian and compute the relevant Wilson coefficients arising from integrating out heavy fermions to one-loop order. We illustrate our findings with the example of the 750 GeV diphoton resonance seen by ATLAS and CMS and show that the $S o Zh$ decay rate could naturally be of similar magnitude or larger than the diphoton rate.

研究动机与目标

• 识别一种模型无关、清晰的重规范单态标量$S$的CP奇信号，该标量存在于标准模型之外。
• 证明衰变$S \to Zh$对CP偶标量被禁止，但仅当$S$具有CP奇耦合时才被允许。
• 在有效拉格朗日量框架下，通过积分重费米子，计算$S \to Zh$的单圈贡献。
• 评估$S \to Zh$在ATLAS和CMS观测到的750 GeV二光子共振态中的现象学可行性。
• 表明$S \to Zh$的衰变宽度可能与$S \to \gamma\gamma$相当或更大，使其成为一个有希望的发现通道。

提出的方法

• 构建一个在维度-5和维度-7算符下的模型无关有效拉格朗日量，以描述$S$与$Zh$的耦合。
• 计算涉及重矢量型费米子的单圈振幅，通过积分出这些费米子来确定威尔逊系数。
• 使用维度正规化和解析延拓来处理圈积分中的对数和虚部。
• 推导出控制$S \to Zh$振幅在主导阶的维度-7算符$O_7$的威尔逊系数$C_7$。
• 使用$C_7$进行衰变宽度的数值估计，并与基准情形下的$S \to \gamma\gamma$速率进行比较。
• 分析两个具体模型：一个顺序的第四代轻子双态模型和一个矢量型夸克双态模型，以说明其现象学适用范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 $S \to Zh$衰变能否作为重规范单态标量$S$的模型无关CP分析器？
• RQ2 在无树图$S$与SM粒子耦合的情况下，$S \to Zh$衰变振幅的大小如何？
• RQ3 对于750 GeV共振态，$S \to Zh$的衰变宽度与$S \to \gamma\gamma$相比如何？
• RQ4 $S \to Zh$衰变在具有重矢量型费米子的弱耦合模型中是否可以被增强？
• RQ5 若观测到$S \to Zh$衰变，对排除自旋-2或CP偶标量解释750 GeV二光子过剩有何影响？

主要发现

• 对于CP偶标量，$S \to Zh$衰变严格被禁止，但仅当$S$具有CP奇耦合时才被允许，因此它是一个清晰的CP分析器。
• $S \to Zh$振幅通过顶夸克圈在维度-5实现，或通过积分重费米子诱导的维度-7算符$O_7$实现。
• 对于维度-7算符，威尔逊系数$C_7$的估计为：当$g_t = g_b = 1$时，$C_7 \approx 0.036\,c_1 + 0.011\,\tilde{c}_{tt}$；当$g_t = 2$，$g_b = 0.5$时，$C_7 \approx 0.29\,c_1 - 0.15\,\tilde{c}_{tt}$。
• 对于$M \lesssim 1$ TeV，$pp \to S \to Zh$的产生截面可自然达到1–10 fb，与$S \to \gamma\gamma$相当甚至更大。
• 在一个包含顺序第四代轻子双态的模型中，$S \to Zh$的衰变宽度可达73 fb，接近当前实验限制。
• 在一个弱耦合的矢量型夸克双态模型中，$S \to Zh$的衰变宽度在1–10 fb范围内，且可同时解释$Z$玻色子极角处的$b$夸克前后不对称性。