[論文レビュー] Flavor violating Higgs and $Z$ decays at FCC-ee

Jernej F. Kamenik, Arman Korajac+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 59被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、CERNの将来の円形衝突型加速器（FCC-ee）が、高度なb-, c-, s-ジェットタギング技術を用いてクォークへのフラーバー違反ヒッグスおよびZボソン崩壊（h→bs, h→cu, Z→bs, Z→cu）を探索可能であると提唱している。FCC-eeは、高輝度とクリアな環境のおかげで、現在の間接的制約を超える新しいニュートリノ物理学のパラメータ空間に到達可能であり、特にタイプIII二重ヒッグスダブルレットモデル（2HDM-III）において、B-sおよびD中間子の混合からの間接的制約を超える感度を達成できる。

ABSTRACT

Recent advances in $b$, $c$, and $s$ quark tagging coupled with novel statistical analysis techniques will allow future high energy and high statistics electron-positron colliders, such as the FCC-ee, to place phenomenologically relevant bounds on flavor violating Higgs and $Z$ decays to quarks. We assess the FCC-ee reach for $Z/h o bs, cu$ decays as a function of jet tagging performance. We also update the SM predictions for the corresponding branching ratios, as well as the indirect constraints on the flavor violating Higgs and $Z$ couplings to quarks. Using type III two Higgs doublet model as an example of beyond the standard model physics, we show that the searches for $h o bs, cu$ decays at FCC-ee can probe new parameter space not excluded by indirect searches. We also reinterpret the FCC-ee reach for $Z o bs , cu$ in terms of the constraints on models with vectorlike quarks.

研究の動機と目的

• 実際のジェットタギング性能を用いて、FCC-eeがクォークへのフラーバー違反ヒッグスおよびZ崩壊（h→bs, h→cu, Z→bs, Z→cu）にどの程度感度を持つのかを評価すること。
• h→bsおよびh→cu崩壊のブランチング比について、標準模型予測を更新すること。
• FCC-eeが、B-sおよびD中間子の混合からの間接的制約によって除外されていない、タイプIII二重ヒッグスダブルレットモデル（2HDM-III）における新しいパラメータ空間を探索可能であることを示すこと。
• Z→bs,cu崩壊のFCC-eeの到達可能性を、ベクトルラクティブクォークモデルに対する制約として再解釈すること。

提案手法

• bおよびsジェットのタギングに基づき、(nb, ns) タイプのビンにイベントを分類する。ここでnbとnsはそれぞれタグされたbおよびsジェットの数を表し、アンチタギングによって直交性を保証する。
• 各 (nb, ns) ビンにおける期待イベント数は、信号およびバックグラウンドのブランチング比、全イベント収率（Nh=6.7×10⁵, NZ=5×10¹²）、および検出器の受容率を用いて計算される。
• 統計的感度は、e+e−衝突のクリアな環境を活かし、タギングビンごとの信号およびバックグラウンドイベント分布を比較することで評価される。
• この解析はZ→bs,cu崩壊へと拡張され、タギング性能に起因する系貫性不確実性が主な制限要因とされる。
• 理論的予測は、タイプIII二重ヒッグスダブルレットモデル（2HDM-III）の文脈で導出され、有効ハミルトニアンを介してニュートリノ混合への新物理寄与を計算する。
• 制約は、Bs–Bs̄およびD–D̄混合に関する実験的制約と理論的予測を比較することで導出され、h→undet.崩壊のブランチング比からの直接的制約とも比較される。

Figure 1: Graphical representation of the probabilistic model for determining $\mathcal{B}(Z/h\to bs)$ . Starting with the $Z/h\to f$ partonic decay, where $f=\{u\bar{u}+d\bar{d}(gg),s\bar{s},c\bar{c},b\bar{b},bs\}$ for $Z(h)$ , the tagged flavours of the two final state jets, $Z/h\to j_{1}j_{2}$ ,

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCC-eeは、B-s–B-s̄およびD–D̄混合からの間接的制約を超える感度を、h→bsおよびh→cu崩壊に持てるか？
• RQ2 b, c, sのジェットタギング性能が、FCC-eeにおけるh→bsおよびh→cu崩壊の到達可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 FCC-eeにおけるh→bs,cu崩壊を通じて、B-sおよびD中間子の混合からの間接的探索によって除外されていない、タイプIII二重ヒッグスダブルレットモデルのどのパラメータ空間を探索可能か？
• RQ4 FCC-eeは、Z→bs,cu崩壊を通じて、どの程度までベクトルラクティブクォークモデルを制約できるか？
• RQ5 h→undet.崩壊からの直接的制約と、中間子混合からの間接的制約は、フラーバー違反ヒッグスカップリングの制約において、どのように比較されるか？

主な発見

• FCC-eeは、現実的なジェットタギング性能のもとでも、B-s–B-s̄およびD–D̄混合からの間接的制約を超えるh→bsおよびh→cu崩壊のブランチング比を探索可能である。
• FCC-eeにおけるh→bsおよびh→cu崩壊への感度は、現在の間接的制約を上回っており、特にタイプIII 2HDMモデルにおいて、新しいパラメータ空間が利用可能になる。
• h→bsおよびh→cu崩壊に関して、h→undet.崩壊からの直接的制約（95%信頼区間でB(h→undet.)<0.16）は、|yqq′|² + |yq′q|² < 7.3×10⁻³ を意味し、これはLHCにおけるヒッグス生成に最小限の影響を与える。
• この解析により、Z→bsおよびZ→cu崩壊がベクトルラクティブクォークモデルに敏感であることが示され、到達可能性は主にタギングの系貫性不確実性によって制限される。
• 2HDM-IIIにおいて、重いヒッグスの寄与（mH=mA=1 TeV）を含めると、Ybs, Ycu, Ydb の許容可能なパラメータ空間が変化するが、FCC-eeは依然として間接的探索によって除外されていない領域を探索可能である。
• 本研究は、高輝度、クリアな環境、および高度なジェットタギングの組み合わせが、従来は到達不可能とされていた高エネルギーのフラーバー違反FCNC過程にFCC-eeがアクセス可能であることを確認した。

Figure 2: Top: Expected $95\%$ CL upper bounds on $\mathcal{B}(h\to bq)$ as a function of the $b$ -tagger efficiencies, neglecting systematic uncertainties. Bottom: Expected $95\%$ CL upper bounds on $\mathcal{B}(h\to bs)$ as a function of TPR and FPR. Solid (dashed) lines and colors are with defaul