[论文解读] Higgs--Flavon Mixing and $h ightarrow \mu au$

Katri Huitu, Venus Keus+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用 4

一句话总结

该论文提出，LHC中观测到的希格斯玻色子衰变 $h \to \mu\tau$ 的过量信号源于标准模型希格斯粒子与一个轻子偏好型的味场在电弱尺度 U(1) 对称性下的弗罗加特-尼尔森框架中的混合。该模型通过非对齐的 Yukawa 纹理生成味破坏耦合，并通过自然抵消机制满足轻子味破坏约束，从而在味场真空期望值约为 100 GeV 时实现 $h \to \mu\tau$ 的分支比 $\sim$0.8%。

ABSTRACT

ATLAS and CMS have reported an excess in the flavor violating decay of the Higgs boson, $h \ ightarrow \\mu \ au$. We show that this result can be accommodated through a mixing of the Higgs with a flavon, the field responsible for generating the Yukawa matrices in the lepton sector. We employ a version of the Froggatt-Nielsen mechanism at the electroweak scale, with only the leptons and the flavon transforming non--trivially under the corresponding symmetry group. Non--observation of charged lepton flavor violation (LFV) in other processes imposes important constraints on the model, which we find to be satisfied in substantial regions of parameter space.

研究动机与目标

• 解释 LHC 中观测到的味破坏型希格斯衰变 $h \to \mu\tau$ 的过量信号。
• 探讨该衰变是否可通过弗罗加特-尼尔森机制中标准模型希格斯与味场之间的混合来解释。
• 确保该模型在其他过程的严格轻子味破坏（LFV）约束下保持一致。
• 识别在饱和观测分支比的同时，仍满足电弱精确测量与对撞机约束的可行参数区域。

提出的方法

• 引入一个在 U(1) 对称性下带电的轻子偏好型味场，通过软性或离散性地破缺以避免出现 Goldstone 玻色子。
• 通过包含味场真空期望值的高维算符实现弗罗加特-尼尔森机制，利用 $\epsilon = v_\phi / (\sqrt{2}\Lambda)$ 的幂次生成层级 Yukawa 耦合。
• 从希格斯-味场混合构建两标量质量本征态系统，将较轻的态 $H_1$ 识别为 125 GeV 的希格斯玻色子。
• 采用具有大 $\mu$–$\tau$ 混合的特定 Yukawa 纹理，以增强 $h \to \mu\tau$ 衰变振幅。
• 通过有效场论和圈图贡献，全面分析 LFV 约束，包括 $\mu \to e\gamma$、$\tau \to \mu\gamma$ 和 $\tau \to e\gamma$。
• 调节参数如 $\sin\theta$、$v_\phi$ 和 $\Lambda$，以同时满足观测到的 $h \to \mu\tau$ 分支比和 LFV 约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电弱尺度味场的弗罗加特-尼尔森框架中，$h \to \mu\tau$ 衰变过量是否可由希格斯-味场混合解释？
• RQ2 轻子味破坏过程对味场真空期望值和混合角 $\sin\theta$ 的约束为何？
• RQ3 LFV 振幅中的自然抵消如何影响该模型的可行性？
• RQ4 该模型是否能与希格斯耦合测量结果及电弱精确数据保持一致？

主要发现

• 该模型在 $v_\phi \sim 100$ GeV 时实现分支比 $\mathrm{BR}(h \to \mu\tau) \approx 0.82\%$，与 LHC 观测结果一致。
• 为实现观测到的衰变率，味场真空期望值被约束在约 100 GeV，且 $\sin\theta \approx -0.3$ 为有利取值。
• 当 $v_\phi > 700$ GeV 时，$h \to \tau\tau$ 约束允许该值，但此时 $h \to \mu\tau$ 分支比可忽略不计。
• 由于 $\mathrm{Im}\phi$ 的赝标量性质，模型满足所有 LFV 约束，包括 $\mu \to e\gamma$、$\tau \to \mu\gamma$ 和 $\tau \to e\gamma$，从而实现自然抵消。
• 有效场论与 $|\sin\theta| < 0.33$ 的希格斯耦合数据一致，且当 $\sin\theta \approx -0.2$ 至 $-0.3$ 时，$\Lambda \sim 1$ TeV 是可行的。
• 由于其赝标量性质且不与标准模型希格斯耦合，味场的虚部 $\mathrm{Im}\phi$ 受对撞机数据约束较弱，因此在某些拓展中可作为可行的暗物质候选者。