[논문 리뷰] Two more hidden scalars around 125 GeV and $h o μτ$

Dipankar Das, Anirban Kundu|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

논문은 125 GeV에서 CMS가 관측한 $ h \to \mu\tau $ 신호를 설명하기 위해 나무 수준의 flavor-changing 중성자 상호작용을 가진 두 힉스 이중체 모형(2HDM)을 제안한다. 이 모형은 정렬 한계에서 작동하며, SM 유사 힉스 $ h $ 는 flavor 보존을 유지하지만, 두 개의 거의 비슷한 스칼라 $ H $ 와 $ A $ 가 flavor 번역 위반(LFV) 붕괴의 원인으로 작용한다. 모형은 $ \text{Br}(h\to\mu\tau) \approx 0.84\% $ 를 예측하며, $ \text{Br}(\mu\to e\gamma) $ 는 실험 상한선 근처에 위치하고 $ e\tau $ 최종 상태에서는 약 $ 2\% $ 의 증가를 예측하여 LHC에서 검증 가능하다.

ABSTRACT

We show that the $2.4σ$ signal of the leptonic flavor violating (LFV) Higgs boson decay $h oμτ$, as observed by the CMS collaboration recently, can be explained by a certain class of two-Higgs doublet models that allow controllable flavor-changing neutral current with minimal number of free parameters. We postulate that (i) the alignment limit is maintained, which means the lightest neutral scalar ($h$) has identical couplings to that of the Standard Model Higgs boson and (ii) the signal comes from two other neutral scalars, the CP-even $H$ and the CP-odd $A$, almost degenerate with $h$ at 125 GeV. We also show that (i) it is entirely possible that these scalars are hidden, apart from this LFV signal; (ii) the signal strengths of $b\bar{b}$, $τ^+τ^-$ and $γγ$ around 125 GeV put severe constraints on the parameter space of such models; (iii) the constraint is further enhanced by the non-observation of processes like $μ o eγ$, and we predict that the branching ratio of $μ o eγ$ cannot be even an order below the present experimental limit, highlighting the role it plays in forcing $H$ and $A$ to be near-degenerate; (iv) an enhancement in the $τ^+τ^-$ production cross-section at around 125 GeV is expected in the gluon fusion channel, and should be observed during the next run of the LHC; (v) the branching ratio in the $eτ$ channel is enhanced and is expected to be at least about $2\%$. The constrained parameter space and minimum number of free parameters, along with such strong predictions, make this model easily testable and falsifiable.

연구 동기 및 목표

• 나무 수준의 FCNC를 가진 최소한의 2HDM을 통해 CMS가 관측한 $ h\to\mu\tau $ 2.4σ 신호를 설명하는 것.
• 정렬 한계를 유지하여 SM 유사 힉스 $ h $ 가 나무 수준에서 FCNC 쿠퍼링을 갖지 않도록 보장하는 것.
• $ H $ 와 $ A $ 가 거의 비슷한 질량을 지녀 $ \mu\to e\gamma $ 의 간섭을 통해 억제되는 것을 확보하는 것.
• 정밀한 LHC 측정과 향후 $ \mu\to e\gamma $ 탐색을 통해 모형을 검증 가능하고 반증 가능한 것으로 만드는 것.

제안 방법

• 나무 수준의 FCNC를 혼합 행렬 요소로 억제하는 Branco-Grimus-Lavoura (BGL) 2HDM를 채택한다.
• 정렬 한계를 가정하여 $ h $ 가 SM과 동일한 방식으로 Fermion과 결합하도록 보장한다. 이는 직접적인 LFV를 방지한다.
• $ H $ 와 $ A $ 가 $ h $ 와 거의 비슷한 질량을 지니며, 루프 다이어그램을 통해 $ h\to\mu\tau $ 붕괴를 매개한다고 가정한다.
• $ \mu\to e\gamma $ 제약 조건을 이용해 $ m_H \approx m_A $ 를 강제하여, 진폭의 간섭을 통해 파라미터를 조정한다.
• $ \tan\beta $ 의 함수로 표현된 결합을 사용하여 브랜치 비율을 계산하며, 제약 조건을 만족시키기 위해 $ \nu_1 $-유형 모형에 집중한다.
• 글루온 융합 생성을 통해 LHC 서명을 평가하며, $ \tau\tau $, $ \gamma\gamma $, $ b\bar{b} $ 최종 상태에 주목한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 125 GeV에서 관측된 $ h\to\mu\tau $ 신호는 SM 힉스의 혼합 유도 LFV 결합이 아니라, 두 개의 새로운 거의 비슷한 스칼라 $ H $ 와 $ A $ 에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 만약 $ H $ 와 $ A $ 가 거의 비슷한 질량을 지니지 않는다면, $ \mu\to e\gamma $ 의 비관측과 LFV 힉스 붕괴 사이의 모순은 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ3 글루온 융합에서의 $ h\to\tau\tau $ 신호 강도는 모형의 매개변수 공간에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 $ e\tau $ 와 $ \mu\to e\gamma $ 의 예측 브랜치 비율은 무엇이며, 실험 상한선과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 모형은 $ \text{Br}(h\to\mu\tau) = 0.84^{+0.39}_{-0.37}\% $ 를 예측하며, CMS의 관측 결과와 일치한다.
• $ \mu\to e\gamma $ 의 브랜치 비율은 현재 실험 상한선 근처에 위치해 있어 향후 실험에서 검출 가능할 것으로 예측된다.
• $ e\tau $ 최종 상태는 최소한 $ 2\% $ 의 브랜치 비율을 예측하며, SM 기대치보다 크게 향상된다.
• 글루온 융합에서의 $ h\to\tau\tau $ 신호 강도는 $ H $ 와 $ A $ 의 기여로 인해 상당한 증가를 보일 것으로 기대된다.
• $ \tan\beta $ 의 允용 범위는 $ 0.4 < \tan\beta < 2.8 $ 로 제약되며, 선호되는 값은 $ \tan\beta = 1 $ 근처이다.
• 모형은 매우 예측 가능하고 반증 가능하다: 향후 $ \text{Br}(h\to\mu\tau) $ 측정값이 허용 가능한 최소값 이하로 나올 경우, 이 모형은 배제될 수 있다.