[논문 리뷰] New Physics Models Facing Lepton Flavor Violating Higgs Decays

Nejc Košnik|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CMS에서 관측한 힉스 보손의 타우 및 뮤온 레프톤으로의 붕괴(h→τμ)에서의 일시적인 2.4σ 초과 현상이 새로운 물리학 모델에 미치는 영향을 조사한다. 효과적 장 이론과 종합적인 힉스 데이터를 활용하여 레프톤-플레버 위반 힉스 결합에 대해 강력한 경계를 도출한다. 만약 이러한 신호가 확인된다면, Belle II에서 τ→μγ의 관측 가능한 붕괴율이 예측되며, μ→eγ 및 μ-e 변환에 의한 간접적 탐사로 h→τe의 붕괴율이 엄격히 제약을 받게 된다. 향후 실험들은 10⁻⁵–10⁻¹² 수준까지 탐색 가능할 것이다.

ABSTRACT

We speculate about the possible interpretations of the recently observed excess in the $h o τμ$ decay. We derive a robust lower bound on the Higgs boson coupling strength to a tau and a muon, even in presence of the most general new physics affecting other Higgs properties. Then we reevaluate complementary indirect constraints coming from low energy observables as well as from theoretical considerations. In particular, the tentative signal should lead to $τ o μγ$ at rates which could be observed at Belle II. In turn we show that, barring fine-tuned cancellations, the effect can be accommodated within models with an extended scalar sector. These general conclusions are demonstrated in explicit new physics models. Finally we show how, given the $h o τμ$ signal, the current and future searches for $μ o e γ$ and $μ o e$ nuclear conversions unambiguously constrain the allowed rates for $h o τe$.

연구 동기 및 목표

• CMS가 관측한 h→τμ 붕괴에서의 일시적인 2.4σ 초과 현상이 새로운 물리학 모델의 맥락에서 타당한지 평가하는 것.
• 기타 힉스 성질이 새로운 물리학에 의해 변화하더라도, 효과적 힉스 결합에 대한 강력한 하한 경계를 도출하는 것.
• τ→μγ, μ→eγ, 및 μ-e 핵 변환과 같은 저에너지 레프톤-플레버 위반 과정에 의한 간접 제약를 검토하는 것.
• 확장된 스칼라 섹터를 가진 모델, 특히 유형-III 이중 힉스 듀블릿 모델(THDM III)에서 h→τμ 신호가 수용 가능한지 확인하는 것.
• μ→eγ 및 μ-e 변환 실험의 제약을 통해 h→τμ 및 h→τe 붕괴율 간의 상관관계를 설정하는 것.

제안 방법

• 레프톤-플레버 위반 힉스 결합을 비대칭 양자역학 항인 yτμ 및 yμτ로 기술하는 효과적 장 이론(EFT) 접근법을 사용한다.
• LHC 힉스 생성 및 붕괴 데이터에 대한 종합적 피팅을 통해 Γh 및 σh의 수정을 고려하여 |yτμ|² + |yμτ|²에 대한 경계를 추출한다.
• 자연스러움 기준 √|yτμ yμτ| ≲ √(mμ mτ)/v ≈ 0.0018을 사용하여 효과적 결합에 대한 이론적 경계를 유도한다.
• 전자기장 강도 Fαβ 및 켈리 프로젝터를 포함한 효과적 라그랑지안을 사용하여 τ→μγ의 고리 유도 붕괴율을 계산한다.
• 효과적 연산자를 사용하여 μ→eγ 및 μ-e 변환에 의한 제약를 평가하고, LFV 힉스 붕괴와 이들 과정 간의 관계를 유도한다.
• μ→eγ(≤5.7×10⁻¹³) 및 μ-e 변환(≤7×10⁻¹³)에 대한 실험적 제약을 조합하여 h→τe에 대한 제품 관계를 통해 제약를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기타 힉스 성질이 새로운 물리학에 의해 변화하더라도, 관측된 h→τμ에서의 2.4σ 초과 현상이 새로운 물리학 신호로 일관되게 해석될 수 있는가?
• RQ2 기타 힉스 결합에 대한 가정 없이도, 효과적 힉스 결합에 대한 강력한 하한 경계는 무엇인가?
• RQ3 h→τμ 붕괴율이 0.84% 수준일 경우, τ→μγ, μ→eγ, 및 μ-e 변환에 의한 간접 제약는 h→τe 붕괴율을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 확장된 스칼라 섹터를 가진 모델, 예를 들어 유형-III 이중 힉스 듀블릿 모델에서 h→τμ 신호는 수용 가능한가?
• RQ5 미래의 μ→eγ 및 μ-e 변환 탐사 실험은 h→τμ 및 h→τe 붕괴율의 곱을 어느 정도까지 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• Γh 및 σh가 수정되더라도, 효과적 힉스 결합 강도에 대한 강력한 하한 경계는 0.0017(68% C.L.)에서 0.0036(95% C.L.) 사이로 설정된다.
• 관측된 h→τμ 붕괴율은 자연스러움 경계 √|yτμ yμτ| ≲ 0.0018와 일치하여, 정밀 조정이 필요하지 않음을 시사한다.
• h→τμ 신호가 확인된다면, EFT 프레임워크 내에서 강한 상관관계로 인해 Belle II에서 τ→μγ 붕괴율이 관측 가능할 것으로 예측된다.
• 현재의 간접 제약로는 h→τe에 대해 B(h→τe) < 0.26%이지만, 이는 기존 τ→eγ의 제약(B < 0.19%)보다 약하다.
• 미래의 μ→eγ 및 μ-e 변환 탐사 향상으로 인해, EFT에서는 B(h→τe)를 10⁻⁵ 수준까지 간접적으로 탐색 가능하고, THDM III에서는 10⁻¹² 또는 그 이하의 정밀도까지 가능할 것이다.
• 유형-III THDM에서는 h→τμ 및 h→τe가 동시에 백분율 수준에 있을 수 없으며, 이 모델은 h→τe 붕괴율이 상당히 억제된다는 것을 예측한다.