[论文解读] The rise and fall of the fourth quark-lepton generation

M. I. Vysotsky|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文利用电弱精确测量数据和LHC希格斯玻色子测量结果，研究了标准模型中第四代夸克-轻子存在的可行性。结果表明，观测到的126 GeV希格斯玻色子的产生和衰变模式——特别是抑制的双光子衰变和增强的底夸克对衰变——排除了微扰第四代的存在，因为此类模型会预测通过胶子融合产生更大的希格斯玻色子截面，并改变衰变分支比。

ABSTRACT

The existence of the fourth quark-lepton generation is not excluded by the electroweak precision data. However, the recent results on the 126 GeV higgs boson production and decay do not allow an extra generation at least as far as the perturbation theory can be used.

研究动机与目标

• 评估第四代夸克-轻子是否存在与电弱精确测量数据的相容性。
• 评估126 GeV处观测到的希格斯玻色子是否与四代标准模型一致。
• 确定希格斯衰变率（特别是H→γγ和H→ττ）对第四代存在的约束。
• 分析电弱辐射修正在四代模型中对希格斯衰变宽度的修正作用。

提出的方法

• 使用S、T、U参数形式化分析电弱精确可观测量，考虑重第四代费米子的非解耦效应。
• 对包含第四代贡献的电弱数据进行全局拟合，通过最小化χ²/d.o.f. 与标准模型（SM3）进行比较。
• 计算四代模型中通过胶子融合（gg→H）的希格斯产生增强，由于额外的顶夸克类夸克，其截面为SM3的九倍。
• 利用单圈及更高阶电弱修正，评估对希格斯衰变分支比的修改，特别是H→γγ和H→WW*/ZZ*。
• 应用ATLAS和CMS对希格斯玻色子隐形衰变（Br(H→invisible) < 0.65）的实验限制，以约束重中性轻子。
• 将理论预测的μ = (σ×Br)exp / (σ×Br)SM 与LHC数据进行比较，识别出排除四代模型的不一致之处。

实验结果

研究问题

• RQ1 第四代夸克-轻子的存在是否与SLC和LEP的电弱精确测量数据相容？
• RQ2 LHC希格斯数据（特别是H→γγ、H→WW*和H→ττ）在多大程度上排除了微扰第四代？
• RQ3 电弱辐射修正如何影响四代模型中希格斯衰变宽度？它们是否能调和理论预测与实验数据？
• RQ4 如果存在重中性轻子，观测到的希格斯信号强度（μ值）能否由第四代解释？
• RQ5 若第四代夸克超过微扰幺正性边界（约500 GeV），强相互作用动力学对希格斯场具有何种影响？

主要发现

• 当考虑电弱修正时，LHC对126 GeV希格斯玻色子的数据，特别是抑制的H→γγ衰变率（μ ≈ 1.2 ± 0.2，而SM4预测为0.3–0.4），在4–5σ水平上排除了第四代的存在。
• 在四代模型中，由于希格斯产生增强和宽度增加，H→ττ衰变率预计增强约5倍，但实验数据（μ ≈ 0.8–1.4）排除了这种增强。
• 在四代模型（SM4）中，gg→H的截面比SM3大九倍，若此类夸克存在，将导致希格斯产生率被显著高估。
• 电弱辐射修正使H→WW*/ZZ*分支比降低约0.2倍（当mt′ ≈ 600 GeV时），但即使经过此抑制，H→WW*和H→ZZ*的预测μ值仍远高于实验数据。
• 对于轻的第四代中微子（mN > MZ/2），H→隐形衰变可降低可见衰变分支比，但观测到的Br(H→invisible) < 0.65限制了该机制的有效性。
• 在微扰区域（m4 < 500 GeV）该模型被排除，但在强耦合区域（m4 ~ 1 TeV）仍理论上可能，此时微扰理论失效，而SM3却意外地表现良好。