[論文レビュー] Two more hidden scalars around 125 GeV and $h o μτ$

Dipankar Das, Anirban Kundu|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、125 GeVにおけるCMSの$ h \to \mu\tau $信号（2.4σ）を説明するため、木レベルのフレーバー変換を伴う中性荷電現在を持つ2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）を提案する。アライメント限界において、標準模型に類似したヒッグス$ h $はフレーバー保存的であり、代わりに$ H $と$ A $という2つのほぼ degenerate なスカラーがLFV崩壊の原因である。モデルは$ \text{Br}(h\to\mu\tau) \approx 0.84\% $を予測し、$ \text{Br}(\mu\to e\gamma) $は実験的上限に近く、$ e\tau $最終状態では約2％の増幅を示す。このため、LHCでの検証が可能である。

ABSTRACT

We show that the $2.4σ$ signal of the leptonic flavor violating (LFV) Higgs boson decay $h oμτ$, as observed by the CMS collaboration recently, can be explained by a certain class of two-Higgs doublet models that allow controllable flavor-changing neutral current with minimal number of free parameters. We postulate that (i) the alignment limit is maintained, which means the lightest neutral scalar ($h$) has identical couplings to that of the Standard Model Higgs boson and (ii) the signal comes from two other neutral scalars, the CP-even $H$ and the CP-odd $A$, almost degenerate with $h$ at 125 GeV. We also show that (i) it is entirely possible that these scalars are hidden, apart from this LFV signal; (ii) the signal strengths of $b\bar{b}$, $τ^+τ^-$ and $γγ$ around 125 GeV put severe constraints on the parameter space of such models; (iii) the constraint is further enhanced by the non-observation of processes like $μ o eγ$, and we predict that the branching ratio of $μ o eγ$ cannot be even an order below the present experimental limit, highlighting the role it plays in forcing $H$ and $A$ to be near-degenerate; (iv) an enhancement in the $τ^+τ^-$ production cross-section at around 125 GeV is expected in the gluon fusion channel, and should be observed during the next run of the LHC; (v) the branching ratio in the $eτ$ channel is enhanced and is expected to be at least about $2\%$. The constrained parameter space and minimum number of free parameters, along with such strong predictions, make this model easily testable and falsifiable.

研究の動機と目的

• 木レベルのFCNCを伴う最小限の2HDMを用いて、CMSが観測した2.4σの$ h\to\mu\tau $信号を説明すること。
• アライメント限界を維持することで、標準模型に類似したヒッグス$ h $が木レベルのFCNCカップリングを持たないようにすること。
• $ H $と$ A $がほぼ degenerate であるようにすることで、破壊的干渉により$ \mu\to e\gamma $を抑制すること。
• 正確なLHC測定と将来の$ \mu\to e\gamma $探索を通じて、モデルが検証可能かつ反証可能であるようにすること。

提案手法

• 木レベルのFCNCを混合行列要素で抑制するBranco-Grimus-Lavoura（BGL）2HDMを採用する。
• アライメント限界を仮定することで、$ h $がフェルミオンと標準模型と同様にカップリングすることを保証し、直接的なLFVを回避する。
• $ H $と$ A $が$ h $とほぼ degenerate であると仮定し、ループ図を通じて$ h\to\mu\tau $崩壊を媒介することにする。
• $ \mu\to e\gamma $の制約を用いて$ m_H \approx m_A $を強制し、振幅の破壊的干渉を確保する。
• $ \tan\beta $に依存するカップリングを用いてBrを計算し、制約を満たすために$ \nu_1 $型モデルに焦点を当てる。
• グルーオン融合生成を用いてLHCのシグネチャを評価し、$ \tau\tau $、$ \gamma\gamma $、$ b\bar{b} $最終状態に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 125 GeVにおける$ h\to\mu\tau $信号は、標準模型ヒッグスの混合誘発LFVカップリングではなく、2つの新しいほぼ degenerate なスカラー$ H $と$ A $によって説明可能だろうか？
• RQ2 $ H $と$ A $がほぼ degenerate でない場合、LFVヒッグス崩壊が存在するにもかかわらず$ \mu\to e\gamma $が観測されていないのはどのように説明できるか？
• RQ3 グルーオン融合における$ h\to\tau\tau $信号強度は、モデルのパrameter空間にどのような制約を課えるか？
• RQ4 $ e\tau $および$ \mu\to e\gamma $の予測Brは何か？ また、実験的上限と比較するとどうなるか？

主な発見

• $ \text{Br}(h\to\mu\tau) = 0.84^{+0.39}_{-0.37}\% $の予測がなされ、CMSの観測結果と整合的である。
• $ \mu\to e\gamma $のBrは現在の実験的上限に近く、将来の実験で検出可能であると予測される。
• $ e\tau $最終状態のBrは少なくとも2％に達すると予測され、標準模型の期待値よりも顕著に増幅されている。
• グルーオン融合における$ h\to\tau\tau $信号強度は、$ H $と$ A $の寄与により顕著に増幅される見込みである。
• パラメータ$ \tan\beta $の許容範囲は$ 0.4 < \tan\beta < 2.8 $に制限され、特に$ \tan\beta \approx 1 $の値が好ましい。
• モデルは非常に予測可能かつ反証可能である：未来の$ \text{Br}(h\to\mu\tau) $測定値が許容される最小値未満であれば、モデルは除外される。