[論文レビュー] Search for the lepton-flavor violating decay of the Higgs boson and additional Higgs bosons in the e$μ$ final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|May 29, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 86被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、13 TeVの陽子-陽子衝突において138 fb⁻¹のCMSデータを用いて、レプトンフラバー違反Higgsボソン崩壊（eμ最終状態）を直接探索するものである。有意な過剰は観測されず、H→eμの分岐率に対する観測（予想）上限は95%信頼水準で4.4×10⁻⁵（4.7×10⁻⁵）であり、これまでで最も厳しい直接限界を設定した。

ABSTRACT

A search for the lepton-flavor violating decay of the Higgs boson and potential additional Higgs bosons with a mass in the range 110-160 GeV to an e$^{\pm}μ^{\mp}$ pair is presented. The search is performed with a proton-proton collision dataset at a center-of-mass energy of 13 TeV collected by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. No excess is observed for the Higgs boson. The observed (expected) upper limit on the e$^{\pm}μ^{\mp}$ branching fraction for it is determined to be 4.4 (4.7) $ imes$ 10$^{-5}$ at 95% confidence level, the most stringent limit set thus far from direct searches. The largest excess of events over the expected background in the full mass range of the search is observed at an e$^{\pm}μ^{\mp}$ invariant mass of approximately 146 GeV with a local (global) significance of 3.8 (2.8) standard deviations.

研究の動機と目的

• LHCにおけるHiggsボソンおよび追加のHiggsボソンのレプトンフラバー違反（LFV）崩壊を、eμ最終状態で探索すること。
• 非対角ヤコビ係数を介してLFV Higgs崩壊を予測する標準模型を超えた（BSM）理論を検証すること。
• 標準模型ヤコビ係数に関する仮定に依存しない、間接的限界とは対照的に、直接探索によってLFV Higgs崩壊の制約を強化すること。
• より重いHiggsボソンのLFV崩壊が顕著となるタイプ-III二重ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）などのモデルのパラメータ空間を探索すること。

提案手法

• CMS実験が収集した、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データを分析し、統合した放射能が138 fb⁻¹に相当する。
• イベント再構築を用いて、Higgsボソン崩壊に由来する即時的で互いに電荷が反対の電子-ミューオンペアを特定する。
• 主なHiggs生成モード（グルーオン融合（gg→H）およびベクトルボソン融合（VBF））を最適化し、ベクトルボソン関連生成を除く。
• 主なバックグラウンド（Drell-Yanおよびトップクォーク過程）を抑制するためのイベント選別基準を適用する。
• データ駆動型技術とモンテカルロシミュレーションを用いて信号およびバックグラウンドの寄与をモデル化し、詳細なシステムティック不確実性を推定する。
• ブラインド解析を実施し、95%信頼水準における分岐率の上限をプロファイル尤度比法を用いて設定する。

Figure 1: The ${m_{\Pe\PGm}}$ distributions of the data, simulated backgrounds and signals of ${\PH\to\Pe\PGm}$ in the ${\Pg\Pg\PH}$ (left) and the VBF categories (right). A ${{\mathcal{B}(\PH\to\Pe\PGm)}=0.2\%}$ is assumed for the signal for illustration. The lower panel in each plot shows the rati

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 110–160 GeVの質量範囲におけるHiggsボソンが電子-ミューオンペア（H→eμ）に崩壊する分岐率に対する上限は何か？
• RQ2 同じ質量窓内において、新しいHiggsボソンがeμに崩壊する証拠は存在するか？
• RQ3 タイプ-III 2HDMのような、非対角レプトンフラバー違反ヤコビ係数を有するモデルは、どのように制限を受けるか？
• RQ4 H→eμの直接限界は、μ→eγのような過程から導かれる間接限界と比べてどう異なるか？
• RQ5 eμインvariant質量分布に観測された過剰の有意性は何か？

主な発見

• 110–160 GeVの質量範囲にわたり、Higgsボソン崩壊チャンネルH→eμにおいて有意な過剰は観測されなかった。
• H→eμの分岐率に対する観測（予想）上限は95%信頼水準で4.4×10⁻⁵（4.7×10⁻⁵）であり、これまでで最も厳しい直接限界である。
• 最大の局所的（グローバル）有意度は約146 GeVのeμインvariant質量で3.8σ（2.8σ）であったが、これは発見の有意水準を上回らなかった。
• 本分析は、LFV Higgs崩壊の直接探索における新しいベンチマークを設定し、以前のATLAS限界（観測値6.2×10⁻⁵）を改善した。
• 標準模型を超えたモデルがLFV Higgs崩壊を予測する場合、特により重いHiggsボソンがeμに崩壊する可能性があるタイプ-III二重ヒッグスダブルレットモデルの文脈で、その制約が強化された。
• 本研究は、CMS検出器が稀なLFV過程に対して高い感度を持つことを示し、標準模型ヤコビ係数に関する仮定なしに直接探索が重要であることを強調した。

Figure 2: The ${\Pg\Pg\PH}$ and VBF BDT discriminant distributions of the data, simulated backgrounds and signals of ${\PH\to\Pe\PGm}$ for each BDT trained in the ${\Pg\Pg\PH}$ (left) and the VBF categories (right). A ${{\mathcal{B}(\PH\to\Pe\PGm)}=1.0\%}$ is assumed for the signal for illustration.