[논문 리뷰] Higgs--Flavon Mixing and $h ightarrow \mu au$

Katri Huitu, Venus Keus외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 힉스 보손 붕괴 $h \to \mu\tau$ 초과 현상이 전기약력 스케일의 U(1) 대칭을 가진 프로거트-니엘슨 프레임워크에서 표준모형 힉스와 렙틸로피닉 플라보닉 필드 간의 혼합으로 인해 발생한다고 제안한다. 이 모형은 잘못된 양자수 텍스처를 통해 맛 위반 쿠퍼링을 생성하며, 자연스러운 상쇄로 인해 렙틸로피닉 위반 제약 조건을 만족시켜 $h \to \mu\tau$의 브랜치 비율을 약 0.8%로 가능하게 한다. 플라보닉 필드의 기대값은 약 100 GeV 수준이다.

ABSTRACT

ATLAS and CMS have reported an excess in the flavor violating decay of the Higgs boson, $h \ ightarrow \\mu \ au$. We show that this result can be accommodated through a mixing of the Higgs with a flavon, the field responsible for generating the Yukawa matrices in the lepton sector. We employ a version of the Froggatt-Nielsen mechanism at the electroweak scale, with only the leptons and the flavon transforming non--trivially under the corresponding symmetry group. Non--observation of charged lepton flavor violation (LFV) in other processes imposes important constraints on the model, which we find to be satisfied in substantial regions of parameter space.

연구 동기 및 목표

• 관측된 LHC에서의 맛 위반 힉스 붕괴 $h \to \mu\tau$ 초과 현상을 설명하기 위해.
• 이 붕괴가 프로거트-니엘슨 메커니즘에서 표준모형 힉스와 플라보닉 필드 간의 혼합으로 설명될 수 있는지 탐구하기 위해.
• 다른 과정들로부터의 엄격한 렙틸로피닉 위반(LFV) 제약 조건과 모형이 일치하는지 보장하기 위해.
• 관측된 브랜치 비율이 포화되면서 전기약력 정밀도 및 충돌기 제약 조건을 유지할 수 있는 매개변수 영역을 규명하기 위해.

제안 방법

• 골드스톤 보손을 피하기 위해 부드럽게 또는 이산적으로 깨지는 U(1) 대칭을 가진 렙틸로피닉 플라보닉 필드를 도입하기 위해.
• 플라보닉 필드 기대값을 포함한 고차원 연산자를 통해 프로거트-니엘슨 메커니즘을 구현하며, $\epsilon = v_\phi / (\sqrt{2}\Lambda)$의 거듭제곱을 통해 계층적인 양자수 쿠퍼링을 생성하기 위해.
• 힉스-플라보닉 혼합에 의해 생성된 두 스칼라 질량 고유상태 시스템을 구성하고, 더 가벼운 상태 $H_1$이 125 GeV 힉스 보손임을 식별하기 위해.
• 특정 양자수 텍스처를 사용하여 $\mu$–$\tau$ 혼합을 크게 만들어 $h \to \mu\tau$ 붕괴 진폭을 증폭하기 위해.
• 효과적 필드 이론과 고리 수준 기여를 사용하여 $\mu \to e\gamma$, $\tau \to \mu\gamma$, $\tau \to e\gamma$를 포함한 LFV 제약 조건을 포괄적으로 분석하기 위해.
• 관측된 $h \to \mu\tau$ 브랜치 비율과 LFV 제약 조건을 모두 만족시키기 위해 $\sin\theta$, $v_\phi$, $\Lambda$ 등의 매개변수를 조정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기약력 스케일의 플라보닉 필드를 가진 프로거트-니엘슨 프레임워크에서 힉스-플라보닉 혼합이 $h \to \mu\tau$ 붕괴 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 렙틸로피닉 위반 과정들로부터 플라보닉 필드 기대값과 혼합 각도 $\sin\theta$에 가해지는 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 LFV 진폭에서의 자연스러운 상쇄가 모형의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모형이 힉스 결합 측정치와 전기약력 정밀도 데이터와 일치할 수 있는가?

주요 결과

• 모형은 $v_\phi \sim 100$ GeV에서 $\mathrm{BR}(h \to \mu\tau) \approx 0.82\%$의 브랜치 비율을 달성하며, 관측된 LHC 초과 현상과 일치한다.
• 관측된 비율을 달성하기 위해 플라보닉 필드 기대값은 약 100 GeV 수준이어야 하며, $\sin\theta \approx -0.3$가 유리한 값이다.
• 큰 $v_\phi > 700$ GeV는 $h \to \tau\tau$ 제약 조건을 만족시키지만, $h \to \mu\tau$ 브랜치 비율은 무시할 만큼 작아진다.
• 플라보닉 필드의 허수 부분인 $\mathrm{Im}\phi$의 편미분성질 덕분에 자연스러운 상쇄가 가능하여, $\mu \to e\gamma$, $\tau \to \mu\gamma$, $\tau \to e\gamma$를 포함한 모든 LFV 제약 조건을 충족시킨다.
• 효과적 이론은 힉스 결합 데이터로부터 $|\sin\theta| < 0.33$를 요구하며, $\sin\theta \approx -0.2$에서 $-0.3$일 경우 $\Lambda \sim 1$ TeV가 타당한 값이다.
• 플라보닉 필드의 허수 성분인 $\mathrm{Im}\phi$는 SM 힉스와의 결합이 없고 편미분 성질을 가지므로 충돌기 데이터에 의해 약하게 제약을 받으며, 일부 확장 모형에서 타당한 어둠의 물질 후보가 될 수 있다.