[논문 리뷰] The phenomenology of the di-photon excess and $h oτμ$ within 2HDM

Aielet Efrati, Jernej F. Kamenik외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 22.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 750 GeV 이중빛자기파 광자 공진자와 힉스 보존의 $h \to \tau\mu$ 붕괴를 이중 힉스 두중우 모형(2HDM)으로 설명하고, 관측된 $h \to \tau\mu$ 붕괴율과 $h \to VV$ 붕괴에 대한 제약 조건이 혼합 각도 $\alpha_{vh}$ 를 공동으로 제약하여 $S \to \tau\mu$, $S \to VV$, $S \to hh$ 붕괴에 대한 예측 가능한 경계를 도출함을 보여준다. 또한, 약 750 GeV에서 $H^\pm$ 보존이 $Wh$, $\mu\nu$, $\tau\nu$ 최종 상태에서 관측 가능할 것으로 예측한다.

ABSTRACT

The diphoton excess around $m_S=750$ GeV observed at ATLAS and CMS can be interpreted as coming from $S=H$ and $A$, the neutral components of a second Higgs doublet. If so, then the consistency of the light Higgs decays with the Standard Model predictions provides upper bounds on the rates of $S o VV, hZ, hh$ decays. On the other hand, if $h oτμ$ decay is established, then a lower bound on the rate of $S oτμ$ decay arises. Requiring that $Γ_S\lesssim45$ GeV gives both an upper and a lower bound on the rotation angle from the Higgs basis $(Φ_v,Φ_A)$ to the mass basis $(Φ_h,Φ_H)$. The charged scalar, with $m_{H^\pm}\simeq750$ GeV, is produced in association with a top quark, and can decay to $μ^\pmν$, $τ^\pmν$, $tb$ and $W^\pm h$

연구 동기 및 목표

• 750 GeV 이중빛자기파 공진자와 $h \to \tau\mu$ 붕괴가 이중 힉스 두중우 모형(2HDM) 내에서 일관되게 설명될 수 있는지 탐구하기.
• 측정된 $h$ 상호작용과 $h \to \tau\mu$ 분해율을 이용해 혼합 각도 $\alpha_{vh}$ 에 대한 제약 조건 유도하기.
• 2HDM 프레임워크 내에서 중성 힉스 보존과 이중 힉스 보존의 붕괴율과 생성 신호 예측하기.
• 특히 $Wh$, $\mu\nu$, $\tau\nu$ 최종 상태에서 관측 가능한 신호로, $m_{H^\pm} \approx 750$ GeV에서의 충전 힉스 보존 $H^\pm$ 를 식별하기.

제안 방법

• 혼합 각도 $\alpha_{vh}$ 를 정의하기 위해 힉스 기저를 사용하며, 이를 전통적인 $\alpha - \beta$ 매개변수화와 연결한다.
• 반드시 $\alpha_{vh}$ 와 풍미에 의존하는 매개변수 $\eta_f$ 에 따라 달라지는 $R^{S/h}_{XY} = \Gamma(S \to XY)/\Gamma(h \to XY)$ 비율을 도입하여, 750 GeV 공진자 $S$ 의 붕괴율이 표준모형 유사 힉스 $h$ 의 붕괴율과 어떻게 비교되는지 분석한다.
• 모델은 두 번째 힉스 두중우가 주로 제3세대 페르미온과 결합한다고 가정하여, $S$ 의 $ggF$ 와 $b\bar{b}$ 생성 가능성을 가능하게 한다.
• 충전 힉스 붕괴율은 SU(2) 불변성과 $R^{H^+/A}_{XYZ}$ 비율을 사용하여 계산하며, 분해율은 $\sin\alpha_{vh}$ 와 양자수 상수 $\hat{\eta}_{t,b}$ 에 따라 달라진다.
• $h \to VV$ 편차와 $h \to \tau\mu$ 분해율 제약 조건을 사용하여 $\sin\alpha_{vh} \lesssim 0.2$ 를 제약하며, $\sin\alpha_{vh} \sim 0.002$ 근처에서는 더욱 강력한 제약 조건이 적용된다.
• 13 TeV 에서의 $\sqrt{s}$ 에서의 $H^\pm$ 생성 신호율을 평가하고, $\mu\nu$ 와 $\tau\nu$ 모드에 민감도 한계를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이중빛자기파 공진자와 $h \to \tau\mu$ 붕괴는 이중 힉스 두중우 모형 프레임워크 내에서 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ2 관측된 $h \to \tau\mu$ 분해율과 $h \to VV$ 상호작용 편차는 혼합 각도 $\alpha_{vh}$ 에 어떤 제약 조건을 둔다?
• RQ3 2HDM 내에서 $S \to \tau\mu$, $S \to VV$, $S \to hh$, $S \to Zh$ 의 예측 분해율은 무엇이며, $\alpha_{vh}$ 에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 750 GeV 에서의 충전 힉스 $H^\pm$ 의 주요 생성 및 붕괴 채널은 무엇이며, LHC 에서 어떻게 탐지할 수 있는가?
• RQ5 $\mu\nu$ 와 $\tau\nu$ 분해율은 렙톤 풍미 위반의 편미로 성격을 어떻게 드러내는가?

주요 결과

• $\sin\alpha_{vh} \lesssim 0.002$ 일 때, $S \to \tau\mu$ 붕괴율은 $S \to \gamma\gamma$ 와 유사해지며, 이는 잠재적으로 주요 붕괴 모드가 될 수 있다.
• $\sin\alpha_{vh} \sim 0.2$ 일 때, $S \to Zh$ 붕괴가 우세해지며, $h \to VV$ 제약 조건으로 인해 $S \to VV$ 붕괴는 억제된다.
• 질량이 약 750 GeV인 충전 힉스 보존 $H^\pm$ 는 $Wh$, $\mu\nu$, $\tau\nu$ 최종 상태로 붕괴될 것으로 예측되며, $Wh$ 는 새로운 복잡한 서명이다.
• $\mu\nu$ 최종 상태는 $\eta_{\mu\tau}$-매개변수로 유도된 풍미 위반을 깔끔하게 탐지할 수 있으며, 현재 LHC 제약 조건이 $\hat{\eta}_t$ 와 $\hat{\eta}_b$ 를 제약한다.
• $H^\pm \to tb$ 붕괴는 750 GeV에서 탐지하기 어려우며, 현재 제약 조건보다 민감도를 10배 향상시켜야 가능하다.
• $H^\pm \to \ell^\pm \nu$ 모드는 10 fb$^{-1}$ 의 통합 루미너스티에서 탐지 가능하며, $\mu\nu$ 는 $\eta_{\mu\tau}$ 가 유도하는 $\tau\mu$ 풍미 위반에 대해 고유한 서명을 제공한다.