[논문 리뷰] Flavor violating Higgs and $Z$ decays at FCC-ee

Jernej F. Kamenik, Arman Korajac외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 59인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 미래 원형 충돌기(FCC-ee)가 고도로 발전한 b-, c-, s-점적 기술을 통해 쿼크로의 플레어 위반 힉스 및 Z 보손 붕괴(h→bs, h→cu, Z→bs, Z→cu)를 탐색할 수 있다고 제안한다. FCC-ee는 높은 루미노시티와 청결한 환경 덕분에 현재 간접 제약을 초월한 새로운 물리학 매개변수 공간에 접근할 수 있으며, 특히 유형 III 이중 힉스 두중우 모델에서 B-s 및 D-메손 혼합으로부터 유도된 간접 제약 이하의 민감도를 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 점적 성능를 고려하여 FCC-ee의 플레어 위반 힉스 및 Z 붕괴(h→bs, h→cu, Z→bs, Z→cu)에 대한 민감도 평가
• h→bs 및 h→cu 붕괴의 브랜치 비율에 대한 표준모형 예측 업데이트
• FCC-ee가 B-s 및 D-메손 혼합으로부터 간접 제약을 받지 않는 유형 III 이중 힉스 두중우 모델의 새로운 매개변수 공간을 탐색할 수 있음을 입증
• Z→bs,cu 붕괴에 대한 FCC-ee의 탐색 능력을 벡터형 루프 쿼크 모델 제약 조건으로 재해석

제안 방법

• b- 및 s-점적 기반으로 (nb, ns) 박스에 이벤트를 분류하며, nb 및 ns는 각각 탐지된 b-점적 및 s-점적의 수를 나타내며, 반점적 기반으로 정규성 확보
• 각 (nb, ns) 박자에서 예상되는 이벤트 수는 신호 및 배경 붕괴 비율, 총 이벤트 수(Nh=6.7×10⁵, NZ=5×10¹²), 그리고 검출기 수용률을 기반으로 계산됨
• 통계적 민감도 평가에서는 e+e− 충돌의 청결한 환경을 활용하여 점적 박자 간의 신호 및 배경 이벤트 분포 비교
• 분석은 Z→bs,cu 붕괴로 확장되며, 탐지기 성능의 체계적 불확실성이 주요 제약 요소로 고려됨
• 이론적 예측은 유형 III 이중 힉스 두중우 모델(2HDM-III)의 맥락에서 도출되며, 효과적 해밀토니안을 통해 메손 혼합에 대한 NP 기여 계산
• 제약 조건은 Bs–Bs̄ 및 D–D̄ 혼합에 대한 실험적 제약과 이론적 예측을 비교하여 유도되며, 직접 제약 조건인 h→undet. 붕괴 브랜치 비율과 비교됨

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, $Z/h\to j_{1}j_{2}$ ,

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FCC-ee는 B-s–B-s̄ 및 D–D̄ 혼합으로부터 유도된 간접 제약 이하의 민감도를 갖는 플레어 위반 힉스 붕괴 h→bs 및 h→cu를 탐색할 수 있는가?
• RQ2 b-, c-, s-점적 성능가 FCC-ee에서 h→bs 및 h→cu 붕괴 탐색 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 FCC-ee에서 h→bs,cu 붕괴를 통해 탐색할 수 있는, 간접 탐색으로부터 제약을 받지 않는 유형 III 이중 힉스 두중우 모델의 매개변수 공간은 어떤가?
• RQ4 FCC-ee는 Z→bs,cu 붕괴를 통해 어느 정도의 수준까지 벡터형 루프 쿼크 모델을 제약할 수 있는가?
• RQ5 직접 제약 조건(h→undet. 붕괴)과 메손 혼합으로부터 유도된 간접 제약 조건 간의 비교에서 플레어 위반 힉스 쿼크 결합을 제약하는 데 어떤 차이가 있는가?

주요 결과

• 실제 점적 성능를 고려하더라도 FCC-ee는 B-s–B-s̄ 및 D–D̄ 혼합으로부터 유도된 간접 제약 이하의 h→bs 및 h→cu 붕괴 브랜치 비율을 탐색할 수 있다.
• FCC-ee의 h→bs 및 h→cu 붕괴에 대한 민감도는 현재 간접 제약을 초월하며, 특히 유형 III 2HDM 모델에서 새로운 매개변수 공간에 접근 가능하다.
• h→bs 및 h→cu 붕괴에 대해 직접 제약 조건인 h→undet. 붕괴의 브랜치 비율(B(h→undet.)<0.16 at 95% CL)은 |yqq′|² + |yq′q|² < 7.3×10⁻³을 의미하며, 이는 LHC에서 힉스 생성에 대한 최소한의 영향을 미친다.
• 분석 결과 Z→bs 및 Z→cu 붕괴는 벡터형 루프 쿼크 모델에 민감하며, 주로 탐지기 체계적 불확실성으로 인해 탐색 범위가 제한된다.
• 2HDM-III에서 무거운 힉스 기여(MH=MA=1 TeV)를 고려할 경우 Ybs, Ycu, Ydb의 允허된 매개변수 공간이 수정되지만, FCC-ee는 여전히 간접 탐색으로부터 제약을 받지 않는 영역을 탐색할 수 있다.
• 이 연구는 고루미노시티, 청결한 환경, 고도화된 점적 기술의 조합이 이전에 접근 불가능하다고 여겨졌던 고에너지 플레어 위반 FCNC 과정을 FCC-ee가 탐색할 수 있음을 확인한다.

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