[논문 리뷰] Lepton flavor violating Higgs Boson Decays in Supersymmetric High Scale Seesaw Models

M. E. Gómez, S. Heinemeyer외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 53인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고스케일 시즈모 메커니즘을 갖는 초대칭 모델, 특히 타입-I 시즈모에서 렙톤 편미분 위반(LFV) 힉스 보손 붕괴(h→ℓᵢℓⱼ)를 조사한다. 모델 독립적 및 제약 조건이 있는 MSSM+시즈모 프레임워크를 사용하여, 전하 렙톤 편미분 위반 과정(예: μ→eγ)에 대한 엄격한 실험적 제약이 LFV 힉스 붕괴 확률를 심각하게 억제함을 발견하였으며, 이는 이러한 모델만으로 CMS에서 관측한 h→τμ 초과 현상을 설명하는 데에는 불가능하다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

Within the MSSM, we have evaluated the decay rates for the lepton flavour violating Higgs boson decays (LFVHD) $h ightarrow l_i l_j$ where $l_{i,j}$ are charged leptons and $i eq j$. This has been done in a model independent (MI) way as well as in supersymmetric high scale seesaw models, in particular Type I see-saw model. Lepton flavour violation (LFV) is generated by non-diagonal entries in the mass matrix of the sleptons. In a first step we use the model independent approach where LFV (off-diagonal entries in the mass matrix) is introduced by hand while respecting the direct search constraints from the charged lepton flavor violating (cLFV) processes. In the second step we use high scale see-saw models where LFV is generated via renormalization group equations (RGE) from the grand unification scale (GUT) down to electroweak scale. cLFV decays are the most restrictive ones and exclude a large part of the parameter space for the MI as well as the high scale see-saw scenarios. Due to very strict constraints from cLFV, it is difficult to find large corrections to LFVHD. This applies in particular to $h ightarrow τμ$ where hints of an excess have been observed. If this signal is confirmed, it could not be explained with the models under investigation.

연구 동기 및 목표

• 초대칭 고스케일 시즈모 모델이 CMS에서 보고한 h→τμ 붕괴의 초과 현상을 설명할 수 있는지 평가하기.
• MSSM에 시즈모 메커니즘을 통합한 맥락에서 렙톤 편미분 위반 힉스 보손 붕괴(LFVHD)를 평가하기.
• 모델 독립적 및 시즈모 유도 시나리오에서 전하 렙톤 편미분 위반(cLFV) 제약 조건이 LFVHD 확률에 미치는 영향을 규명하기.
• 시즈모 메커니즘을 통한 중성미온 질량 생성이 실험적 힌트와 일치하는 수준의 LFV를 힉스 붕괴에 유도할 수 있는지 탐색하기.
• 관측된 초과 현상을 설명하기 위해 시즈모에 의해 유도되는 혼합 이외의 추가 LFV 기여원이 필요한지 규명하기.

제안 방법

• cLFV 제약 조건과 일관되게 수동으로 스레프톤 질량 행렬의 비대칭 항목을 도입하는 모델 독립적 접근을 사용한다.
• GUT 스케일에서 전자약 스케일까지의 양자역학적 군 방정식(RGEs)을 적용하여 타입-I 시즈모 모델에서 LFV를 생성한다.
• MSSM에 FeynArts 모델 파일 확장을 통해 LFV 효과를 구현하여 붕괴 확률의 수치 계산을 가능하게 한다.
• 중성미온 데이터와 일치하는 벤치마크 포인트를 사용하여 제약 조건이 있는 MSSM(CMSSM) 프레임워크에서 시즈모 타입-I를 수치적으로 분석한다.
• μ→eγ 및 기타 cLFV 과정에서의 실험적 제약 조건을 적용하여 허용 가능한 매개변수 공간을 제한한다.
• tanβ와 A₀를 변화시키며 m₀–m₁/₂ 매개변수 평면에서 h→eμ, h→eτ, h→τμ의 분해율(BR)을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고스케일 시즈모 메커니즘을 갖는 MSSM이 CMS 초과 현상을 설명할 수 있도록 충분히 큰 h→τμ 분해율을 생성할 수 있는가?
• RQ2 특히 μ→eγ에 기반한 cLFV 과정의 실험적 제약 조건이 LFV 힉스 붕괴 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시즈모 모델에서 RGE에 의해 유도되는 스레프톤 혼합은 LFV 힉스 붕괴에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 CMSSM+시즈모 I 프레임워크 내에서 LFV 힉스 붕괴가 관측 가능한 수준에 도달할 수 있는 타당한 매개변수 영역이 존재하는가?
• RQ5 중성미온에 기반한 시즈모 모델(타입-II 및 타입-III 포함)은 이 연구에서 발견된 제약 조건을 초월해 LFV 힉스 붕괴를 증가시킬 수 있는가?

주요 결과

• h→τμ의 최대 예측 분해율은 약 10⁻⁹ 수준이며, CMS 초과 현상을 설명하기에 훨씬 낮은 수준이다.
• μ→eγ 제약 조건으로 인해 허용 가능한 매개변수 공간 내에서 h→eμ의 분해율은 일반적으로 O(10⁻¹⁸) 수준이다.
• m₀–m₁/₂ 평면의 하단 왼쪽 영역에서도 BR(h→eτ)는 O(10⁻¹⁶)에 도달할 뿐이며, 여전히 초과 현상을 설명하기에는 너무 작다.
• cLFV 제약 조건을 적용한 후 CMSSM-시즈모 I 시나리오에서의 BR(h→τμ) 예측은 타당한 매개변수 공간 내에서 O(10⁻¹⁶) 이하로 유지된다.
• 고스케일 시즈모 모델(타입-I, II, III)은 낙관적인 시나리오에서도 CMS 신호를 설명할 수 있을 만큼의 LFV 힉스 붕괴 확률를 제공하지 못한다.
• 이 연구는 관측된 h→τμ 초과 현상을 설명하기 위해 시즈모 모델 내의 LFV 이외의 추가 기여원이 필요할 것이라고 결론 내린다.