[논문 리뷰] Search for the lepton-flavor violating decay of the Higgs boson and additional Higgs bosons in the e$μ$ final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 29.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy참고 문헌 86인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CMS 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 렙톤-플레버 위반 Higgs 보손 붕괴인 전자-뮤온 최종 상태로의 직접 탐색을 제시한다. 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 95% 신뢰수준에서 H→eμ의 분해율에 대한 관측된(기대된) 상한은 각각 4.4×10⁻⁵(4.7×10⁻⁵)이며, 이는 현재까지 가장 엄격한 직접 상한이다.

ABSTRACT

A search for the lepton-flavor violating decay of the Higgs boson and potential additional Higgs bosons with a mass in the range 110-160 GeV to an e$^{\pm}μ^{\mp}$ pair is presented. The search is performed with a proton-proton collision dataset at a center-of-mass energy of 13 TeV collected by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. No excess is observed for the Higgs boson. The observed (expected) upper limit on the e$^{\pm}μ^{\mp}$ branching fraction for it is determined to be 4.4 (4.7) $ imes$ 10$^{-5}$ at 95% confidence level, the most stringent limit set thus far from direct searches. The largest excess of events over the expected background in the full mass range of the search is observed at an e$^{\pm}μ^{\mp}$ invariant mass of approximately 146 GeV with a local (global) significance of 3.8 (2.8) standard deviations.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 Higgs 보손의 렙톤-플레버 위반(LFV) 붕괴와 추가 Higgs 보손의 eμ 최종 상태를 탐색한다.
• 비표준모형(BSM) 이론이 비대칭 양자역학 상수를 통해 LFV Higgs 붕괴를 예측하는지를 시험한다.
• 표준모형(Yukawa 상수)에 대한 가정 없이 간접적 한계에 의해 유도되는 것과는 달리, 직접 탐색을 통해 LFV Higgs 붕괴에 대한 제약 조건을 향상시킨다.
• 더 무거운 Higgs 보손의 붕괴가 중요하게 작용하는 유형-III 이중 힉스 두중체 모델(2HDM)과 같은 모델의 매개변수 공간을 탐색한다.

제안 방법

• CMS 실험에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌 데이터를 분석하며, 통합 루미노시티 138 fb⁻¹에 해당한다.
• 이벤트 재구성을 통해 Higgs 보손 붕괴에서 유래한 즉각적인, 반대 전하를 가진 전자-뮤온 쌍을 식별한다.
• 주요 Higgs 생성 모드인 글루온 융합(gg→H)과 벡터 보손 융합(VBF)에 최적화된 분석을 수행하며, 벡터 보손 연관 생성는 제외한다.
• 주로 Drell-Yan 및 톰-쿼크 과정과 같은 배경를 억제하기 위해 이벤트 선택 기준을 적용한다.
• 데이터 기반 기법과 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 신호 및 배경 기여를 모델링하며, 철저한 체계적 불확실성 추정을 수행한다.
• 블라인드 분석을 수행하고, 95% 신뢰수준에서 프로파일-우도 비율 방법을 사용하여 분해율에 대한 상한을 설정한다.

Figure 1: The ${m_{\Pe\PGm}}$ distributions of the data, simulated backgrounds and signals of ${\PH\to\Pe\PGm}$ in the ${\Pg\Pg\PH}$ (left) and the VBF categories (right). A ${{\mathcal{B}(\PH\to\Pe\PGm)}=0.2\%}$ is assumed for the signal for illustration. The lower panel in each plot shows the rati

실험 결과

연구 질문

• RQ1 110–160 GeV 질량 범위에서 Higgs 보손이 전자-뮤온 쌍(H→eμ)으로 붕괴하는 분해율에 대한 상한은 얼마인가?
• RQ2 동일한 질량 창에서 새로운 Higgs 보손이 eμ로 붕괴하는 증거가 있는가?
• RQ3 비대칭 렙톤-플레버 위반 양자역학 상수를 예측하는 모델, 예를 들어 유형-III 2HDM에서의 결과는 어떻게 제약을 받는가?
• RQ4 H→eμ에 대한 직접 상한은 μ→eγ와 같은 과정에서 유도된 간접 상한과 비교하여 어떠한가?
• RQ5 eμ 진동 질량 분포에서 관측된 초과의 의미는 무엇인가?

주요 결과

• 110–160 GeV 질량 범위 전역에서 Higgs 보손 붕괴 채널 H→eμ에서 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 95% 신뢰수준에서 H→eμ의 관측된(기대된) 분해율 상한은 각각 4.4×10⁻⁵(4.7×10⁻⁵)이며, 이는 현재까지 가장 엄격한 직접 상한이다.
• 지역(전역)에서 가장 큰 의미 있는 신호는 약 146 GeV의 eμ 진동 질량에서 3.8σ(2.8σ)로 관측되었지만, 이는 발견 기준을 초과하지 못했다.
• 이 분석은 LFV Higgs 붕괴의 직접 탐색에 새로운 기준을 설정하였으며, 이전 ATLAS 상한 6.2×10⁻⁵(관측)을 향상시켰다.
• 비표준모형(BSM) 이론에서 LFV Higgs 붕괴를 예측하는 모델은 제약을 받으며, 특히 더 무거운 Higgs 보손이 eμ로 붕괴할 수 있는 유형-III 이중 힉스 두중체 모델의 맥락에서 중요하다.
• 이 연구는 CMS 검출기가 희귀한 LFV 과정에 민감함을 입증하였으며, 표준모형의 Yukawa 상수에 대한 가정 없이도 직접 탐색의 중요성을 강조한다.

Figure 2: The ${\Pg\Pg\PH}$ and VBF BDT discriminant distributions of the data, simulated backgrounds and signals of ${\PH\to\Pe\PGm}$ for each BDT trained in the ${\Pg\Pg\PH}$ (left) and the VBF categories (right). A ${{\mathcal{B}(\PH\to\Pe\PGm)}=1.0\%}$ is assumed for the signal for illustration.