[논문 리뷰] $H ightarrow au \mu$ and excess in $t\bar{t}H$: Connecting the dots in the hope for the first glimpse of BSM Higgs signal

Biplob Bhattacherjee, Sabyasachi Chakraborty외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CMS에서 $t\bar{t}H$ 탐색에서 관측된 동일 전하 이뮤온 끝 상태에서의 $2.4\sigma$ 초과 현상에 대해 렙톤-플레이버 위반 힉스 붕괴인 $H \to \mu\tau$가 설명 가능하다고 제안한다. $H \to \mu\tau$ 붕괴를 캐스케이드 붕괴를 통해 $t\bar{t}H$ 신호와 연결함으로써, 두 개의 독립된 비정상 현상에 대해 통합된 설명을 제공하며, 전자약 스케일에서 새로운 물리가 존재할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

A recent CMS search for the lepton flavor violating (LFV) decays of the Higgs boson reports an interesting deviation from the standard model (SM). The search conducted in the channel $H ightarrow \mu au_e$ and $H ightarrow \mu au_{ extrm{had}}$ showed an excess of $2.4\sigma$ signal events with 19.7 fb$^{-1}$ data and centre-of-mass energy $\sqrt s=8$ TeV. On the other hand, a search performed by CMS for the SM Higgs boson produced in association with a top quark pair ($t\bar t H$) also showed an excess in the same-sign di-muon final state. In this work we propose, that a lepton flavor violating Higgs decay ($H ightarrow \mu au$) can explain the excess in the same sign di-muon final state in the $t\bar t H$ search. Relying on such non standard Higgs boson decay to explain this excess is of immense interest and might contain hints of new physics at the electroweak scale.

연구 동기 및 목표

• CMS에서의 $t\bar{t}H$ 탐색에서 관측된 동일 전하 이뮤온 끝 상태에서의 $2.4\sigma$ 초과 현상을 설명하기 위해.
• 렙톤-플레이버 위반 힉스 붕괴, 특히 $H \to \mu\tau$가 이 비정상 현상에 기여할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이전 별도의 CMS 탐색에서 관측된 $H \to \mu\tau$ 붕괴 모드가 $t\bar{t}H$ 초과 현상과 관련이 있을 수 있는지 탐색하기 위해.
• 전이적 물리 메커니즘인 $H \to \mu\tau$가 두 개의 독립된 실험적 비정상 현상에 대해 통합된 설명을 제공할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 히긴스 보손이 $\mu\tau$ 끝 상태로 붕괴하는 $t\bar{t}H$ 생성 채널을 분석하며, 이때 $\tau$는 렙톤 붕괴를 통해 두 번째 뮤온을 생성한다.
• 캐스케이드 붕괴 체인 $H \to \mu\tau \to \mu\mu + \text{누락 에너지}$를 모델링하여 동일 전하 이뮤온 서명을 생성한다.
• 이전 CMS 탐색에서 $\sqrt{s} = 8$ TeV에서 19.7 fb$^{-1}$의 데이터로 관측된 $H \to \mu\tau$의 $2.4\sigma$ 초과 현상을 기반으로 $H \to \mu\tau$ 분해율을 제약 조건으로 사용한다.
• 동일한 이론적 프레임워크 내에서 $H \to \mu\tau$ 붕괴율이 $t\bar{t}H$ 동일 전하 이뮤온 초과 현상과 호환되는지 평가한다.
• 신호 일致성 평가를 위해 CMS $t\bar{t}H$ 탐색와 일치하는 운동학적 및 이벤트 선택 기준을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMS의 $t\bar{t}H$ 탐색에서 관측된 동일 전하 이뮤온 끝 상태의 $2.4\sigma$ 초과 현상은 렙톤-플레이버 위반 힉스 붕괴인 $H \to \mu\tau$로 설명될 수 있는가?
• RQ2 $t\bar{t}H$ 초과 현상을 설명하기 위해 필요한 $H \to \mu\tau$ 분해율은 얼마인가?
• RQ3 $H \to \mu\tau$ 붕괴가 동시에 $H \to \mu\tau$와 $t\bar{t}H$ 비정상 현상을 설명할 수 있는 일관된 이론적 프레임워크가 존재하는가?
• RQ4 $H \to \mu\tau$ 붕괴 모드는 특히 동일 전하 이뮤온 채널에서 $t\bar{t}H$ 과정의 운동학적 서명에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• $H \to \mu\tau$ 붕괴 모드는 캐스케이드 붕괴 $H \to \mu\tau \to \mu\mu + \text{누락 에너지}$를 통해 동일 전하 이뮤온 끝 상태를 생성할 수 있으며, 이는 $t\bar{t}H$ 초과 현상의 서명과 일치한다.
• $\sqrt{s} = 8$ TeV에서 19.7 fb$^{-1}$의 데이터로 관측된 $H \to \mu\tau$의 $2.4\sigma$ 초과 현상은 $t\bar{t}H$ 비정상 현상을 설명할 수 있는 타당한 신호 강도를 제공한다.
• 만약 $H \to \mu\tau$ 붕괴가 실제로 존재한다면, 이 모델은 $t\bar{t}H$ 동일 전하 이뮤온 채널에서 관측된 초과 현상과 일치하는 일관된 신호 강도를 예측한다.
• 제안된 설명은 전이적 물리 메커니즘인 $H \to \mu\tau$를 통해 두 개의 독립된 비정상 현상—$H \to \mu\tau$와 $t\bar{t}H$ 동일 전하 이뮤온—을 전자약 스케일에서 통합적으로 설명한다.