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

Martin Bauer, Andrea Thamm+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文提出衰变 S → Zh 作为探测 CP 奇宇称标量的手段，表明该衰变对 CP 偶宇称标量是禁戒的，仅当 S 具有 CP 奇宇称耦合时才被允许。通过有效场论方法，作者计算了来自重费米子的一圈跃迁系数，并表明 S → Zh 的衰变速率可能与观测到的 750 GeV 二光子共振相当或更大，为在 LHC 上检验新共振态的 CP 性质提供了一个清晰、模型无关的信号。

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、清晰的信号，以探测新自旋-0共振态的 CP 量子数。
• 解决当二光子衰变占主导时，区分 CP 偶与 CP 奇标量的挑战。
• 表明 S → Zh 衰变对 CP 偶标量是禁戒的，仅对 CP 奇或混合 CP 态允许。
• 在包含重费米子的有效场论框架下，计算 S → Zh 的威尔逊系数。
• 表明在 750 GeV 共振态的真实模型中，S → Zh 衰变速率可能与二光子衰变速率相当或更大。

提出的方法

• 使用维度-5 和维度-6 算符的有效的拉格朗日量方法，描述 S 与 SM 规范玻色子及费米子的相互作用。
• 计算来自重费米子的一圈贡献，以推导 S → Zh 衰变振幅的相关威尔逊系数。
• 采用单位性规范，并通过与顶夸克和底夸克的赝标量型相互作用引入 CP 奇耦合。
• 在 LHC 现有数据约束下，分析 S → Zh 衰变速率与 750 GeV 二光子共振的关系。
• 同时考虑强耦合与弱耦合模型，包括第四代矢量型费米子双态及顺序的第四代轻子。
• 表明在弱耦合模型中，S → Zh 衰变速率可达 1–10 fb，在强耦合情形下最高可达 73 fb。

实验结果

研究问题

• RQ1 S → Zh 衰变能否作为新自旋-0共振态 CP 性质的模型无关探测手段？
• RQ2 为何 S → Zh 对 CP 偶标量是禁戒的？其观测对 S 的 CP 量子数意味着什么？
• RQ3 在包含重费米子的有效场论模型中，S → Zh 衰变速率的大小如何？
• RQ4 S → Zh 衰变速率能否与 750 GeV 共振态的观测二光子衰变速率相当或更大？
• RQ5 观测到 S → Zh 对于区分自旋-0 与自旋-2 解释二光子过剩现象有何现象学意义？

主要发现

• S → Zh 衰变对 CP 偶标量严格禁戒，仅当 S 具有 CP 奇耦合时才被允许，因此是赝标量或混合 CP 态的决定性信号。
• S → Zh 的威尔逊系数在重费米子一环图下被计算，主要贡献来自顶夸克和底夸克。
• 在包含顺序第四代重轻子的模型中，S → Zh 衰变速率可高达 73 fb，接近当前实验上限。
• 在包含重矢量型费米子双态的弱耦合模型中，S → Zh 衰变速率预测为 1–10 fb，与 LHC 敏感度一致。
• 若观测到 S → Zh，将排除自旋-2 对二光子过剩的解释，并证实共振态为赝标量性质。
• S → Zh 衰变提供了一种强大且独立的 CP 性质探测手段，无需依赖角分布分析。