[논문 리뷰] Charged lepton flavor violating Higgs decays at the CEPC

Qin Qin, Q. Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 원형 전자-posit론 충돌기(CEPC) 및 기타 미래 충돌기의 충전 렙톤 편미분 위반 힉스 붕괴에 대한 민감도를 평가하며, 95% 신뢰수준에서 분해비율의 상한을 예측한다. CEPC는 현재의 제약 조건보다 최대 두 개의 지수만큼 더 뛰어난 민감도를 확보하여 렙톤 편미분 위반을 포함하는 새로운 물리 모델에 대한 엄격한 제약 조건을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• CEPC, FCC-ee, ILC를 포함한 미래 렙톤 충돌기의 정밀도 도달 범위를 평가하여 충전 렙톤 편미분 위반 힉스 붕괴를 탐색하는 것.
• H → e±μ∓, H → e±τ∓, H → μ±τ∓와 같은 희귀 힉스 붕괴에 대한 현재의 실험적 제약 조건을 향상시키는 것.
• 유형-III 2HDM, SMEFT, 랜달-선드룸 모델, 그리고 무거운 중성미오를 포함하는 모델과 같은 이론적 모델의 매개변수에 대한 제약 조건을 도출하는 것.
• 미래 충돌기에서 이러한 희귀 붕괴에 대한 분해비율 상한을 정량화하는 것.
• 원형(CEPC, FCC-ee)과 선형(ILC) 렙톤 충돌기 간의 렙톤 편미분 위반 탐색 성능을 비교하는 것.

제안 방법

• CEPC 및 기타 충돌기의 예상 루미노시티와 에너지 해상도를 활용하여 서로 다른 렙톤 편미분을 가진 최종 상태로의 희귀 힉스 붕괴 탐지 시뮬레이션을 수행한다.
• 통계적 방법을 적용하여 H → e±μ∓, H → e±τ∓, H → μ±τ∓의 95% 신뢰수준(CL) 분해비율 상한을 계산한다.
• 신호 대 배경 분석 프레임워크를 활용하여 이러한 희귀 과정에 대한 충돌기의 민감도를 추정한다.
• 예상 분해비율 상한을 효과적 결합 및 새로운 물리 스케일 매개변수에 대한 제약 조건으로 변환한다.
• 특정 모델에 대한 이러한 제약 조건의 영향을 분석한다: 유형-III 2HDM, SMEFT, 비틀린 추가 차원(RS), 그리고 무거운 비활성 중성미오를 포함하는 모델.
• 동일한 이론적 입력과 시뮬레이션 가정 조건을 사용하여 CEPC와 FCC-ee(원형)의 민감도를 ILC(선형) 충돌기와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CEPC에서 H → e±μ∓, H → e±τ∓, H → μ±τ∓의 95% CL 분해비율 상한은 예상되나요?
• RQ2 CEPC의 예상 민감도는 렙톤 편미분 위반 힉스 붕괴 탐색에서 ILC 및 FCC-ee와 비교해 어떻게 되나요?
• RQ3 예상 상한 제약 조건이 효과적 양자장 이론에서 충전 렙톤 편미분 위반 힉스 결합에 얼마나 영향을 미치나요?
• RQ4 충돌기 제약 조건은 유형-III 2HDM, SMEFT, RS 및 무거운 중성미오 모델 등의 새로운 물리 스케일을 어떻게 제약하나요?
• RQ5 이러한 희귀 붕괴에 대해 원형 충돌기(CEPC/FCC-ee)는 현재 실험 제약 조건과 선형 충돌기(ILC)에 비해 민감도를 얼마나 향상시키나요?

주요 결과

• CEPC는 95% CL에서 분해비율 상한으로 B(H → e±μ∓) < 1.2 × 10⁻⁵를 예측하며, 현재의 제약 조건보다 최대 두 개의 지수만큼 향상됩니다.
• H → e±τ∓에 대해서는 CEPC가 95% CL에서 상한 B < 1.6 × 10⁻⁴를 예측하며, 기존 제약 조건에 비해 상당한 향상이 이루어집니다.
• CEPC는 95% CL에서 B(H → μ±τ∓) < 1.4 × 10⁻⁴의 상한을 설정하며, 다시 한번 현재 실험 제약 조건보다 한두 개의 지수만큼 향상됩니다.
• ILC는 유사하지만 덜 민감한 제약 조건을 예측하며, 95% CL에서 B(H → e±μ∓) < 2.1 × 10⁻⁵, B(H → e±τ∓) < 2.4 × 10⁻⁴, B(H → μ±τ∓) < 2.3 × 10⁻⁴입니다.
• CEPC의 예상 상한은 효과적 충전 렙톤 편미분 위반 힉스 결합을 자연 단위에서 약 10⁻⁵에서 10⁻⁴ 이하로 제약합니다.
• 이 제약 조건들은 다양한 모델의 새로운 물리 절단 스케일을 제약합니다: Λ_SMEFT ≳ 10³ TeV, Λ_RS ≳ 10³ TeV, Λ_중성미오 ≳ 10³ TeV이며, 모델 매개변수에 따라 다릅니다.