[論文レビュー] Charged lepton flavor violating Higgs decays at the CEPC

Qin Qin, Q. Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、円形電子陽電子衝突装置（CEPC）およびその他の将来の衝突装置が、電荷を帯びたレプトンのフラバーを破壊するヒッグス崩壊に対して感受性を有するかどうかを評価し、95%信頼水準における分岐比の上限を予測している。CEPCは現在の制約よりも最大2桁優れた感受性を達成し、レプトンのフラバー破壊を伴う新しい物理モデルに対する厳密な制約を可能にする。

ABSTRACT

After the discovery of the Higgs boson, several future experiments have been proposed to study the Higgs boson properties, including two circular lepton colliders, the CEPC and the FCC-ee, and one linear lepton collider, the ILC. We evaluate the precision reach of these colliders in measuring the branching ratios of the charged lepton flavor violating Higgs decays $H o e^\pm\mu^\mp$, $e^\pm au^\mp$ and $\mu^\pm au^\mp$. The expected upper bounds on the branching ratios given by the circular (linear) colliders are found to be $\mathcal{B}(H o e^\pm\mu^\mp) < 1.2 (2.1) imes 10^{-5}$, $\mathcal{B}(H o e^\pm au^\mp) < 1.6 (2.4) imes 10^{-4}$ and $\mathcal{B}(H o \mu^\pm au^\mp) < 1.4 (2.3) imes 10^{-4}$ at 95\% CL, which are improved by one to two orders compared to the current experimental bounds. We also discuss the constraints that these upper bounds set on certain theory parameters, including the charged lepton flavor violating Higgs couplings, the corresponding parameters in the type-III 2HDM, and the new physics cut-off scales in the SMEFT, in RS models and in models with heavy neutrinos.

研究の動機と目的

• CEPC、FCC-ee、ILCを含む将来のレプトン衝突装置の、電荷を帯びたレプトンのフラバー破壊を伴うヒッグス崩壊を調べる精度の到達範囲を評価すること。
• H → e^±μ^∓、H → e^±τ^∓、H → μ^±τ^∓ などの希少ヒッグス崩壊について、現在の実験的制約を改善すること。
• タイプ-III 2HDM、SMEFT、ランダル＝サンダースモデル、および重いニュートリノを含むモデルにおける理論的パラメータの制約を導出すること。
• 将来の衝突装置におけるこれらの希少崩壊の分岐比の期待される上限を定量化すること。
• 円形（CEPC、FCC-ee）と線形（ILC）のレプトン衝突装置が、レプトンのフラバー破壊を調べる上で、それぞれどのように性能を発揮するかを比較すること。

提案手法

• CEPCおよび他の衝突装置の予想される全ラミニosityとエネルギー分解能を用いて、異なるレプトンのフラバーを有する最終状態への希少ヒッグス崩壊の検出をシミュレートする。
• 統計的手法を用いて、H → e^±μ^∓、H → e^±τ^∓、H → μ^±τ^∓ の分岐比の95%信頼水準（CL）における上限を計算する。
• 信号対背景分析フレームワークを用いて、これらの希少過程に対する衝突装置の感受性を推定する。
• 分岐比の予想される上限を、有効結合および新しい物理のスケールパラメータの制約に変換する。
• 特定のモデル（タイプ-III 2HDM、SMEFT、歪んだ余剰次元（RS）、重いステルシスニュートリノを含むモデル）に対するこれらの制約の影響を分析する。
• 同一の理論的入力およびシミュレーション仮定を用いて、CEPCおよびFCC-ee（円形）とILC（線形）衝突装置の感受性を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CEPCにおけるH → e^±μ^∓、H → e^±τ^∓、H → μ^±τ^∓ の分岐比の期待される95%信頼水準における上限は何か？
• RQ2 CEPCの感受性は、ILCおよびFCC-eeと比較して、レプトンのフラバー破壊を伴うヒッグス崩壊を調べる上で、どのように異なるか？
• RQ3 予想される上限が、有効場理論における有効な電荷を帯びたレプトンのフラバー破壊を伴うヒッグス結合に、どの程度制約を加えるか？
• RQ4 衝突装置の制約は、タイプ-III 2HDM、SMEFT、RS、および重いニュートリノモデルなどのモデルにおける新しい物理のカットオフスケールをどのように制約するか？
• RQ5 これらの希少崩壊に関して、円形衝突装置（CEPC/FCC-ee）は、現在の実験的制約および線形衝突装置（ILC）に比べて、感受性をどの程度向上させるか？

主な発見

• CEPCは、95%信頼水準で、B(H → e^±μ^∓) < 1.2 × 10^{-5} の上限を達成すると予想され、現在の制約よりも最大2桁優れた感受性を示す。
• H → e^±τ^∓ については、CEPCが95%信頼水準で B < 1.6 × 10^{-4} の上限を予測しており、既存の制約よりも顕著に改善されている。
• CEPCは、95%信頼水準で B(H → μ^±τ^∓) < 1.4 × 10^{-4} の制約を設定し、再び現在の実験的制約よりも1〜2桁優れた感受性を示している。
• ILCは同等のが、やや感受性が低い上限を達成すると予想され、95%信頼水準で B(H → e^±μ^∓) < 2.1 × 10^{-5}、B(H → e^±τ^∓) < 2.4 × 10^{-4}、B(H → μ^±τ^∓) < 2.3 × 10^{-4} となる。
• CEPCの予想される上限は、有効な電荷を帯びたレプトンのフラバー破壊を伴うヒッグス結合を、自然単位で約 10^{-5} から 10^{-4} 未満に制約する。
• これらの制約は、さまざまなモデルにおける新しい物理のカットオフスケールを制約する：Λ_SMEFT ≳ 10^3 TeV、Λ_RS ≳ 10^3 TeV、Λ_重いニュートリノ ≳ 10^3 TeV であり、モデルパラメータに依存する。