[论文解读] Lepton flavor violating Higgs couplings and single production of the Higgs boson via e \gamma collision

C. X. Yue, Cong Pang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了在未来的 ILC 和 LHeC 设施中通过 eγ 碰撞的单 Higgs 产生过程，探测轻子 flavor 破坏（LFV）的 Higgs 玻色子耦合。结合低能 LFV 过程的约束和近期 CMS 的暗示，发现当亮度足够高时，ILC 可能探测到 H→τe 衰变模式，为新物理提供可行的探测手段。

ABSTRACT

Taking into account the constraints on the lepton flavor violation (LFV) couplings of the Standard Model (SM) Higgs boson H with leptons from low energy experiments and the recent Compact Muon Solenoid experiment results, we investigate production of the SM Higgs boson associated with a lepton au via e \gamma collision at the International Linear Collider (ILC) and Large Hadron Electron Collider experiments. The production cross sections are calculated and the LFV signals and the relevant SM backgrounds are examined. The LFV signals of the SM Higgs boson might be observed via e \gamma collision in future ILC experiments.

研究动机与目标

• 评估在未来对撞机中通过 eγ 碰撞探测轻子 flavor 破坏 Higgs 耦合的可行性。
• 研究由 LFV Hτe 耦合引发的单 Higgs 产生过程 eγ → τH。
• 比较 ILC 和 LHeC 中 H→τe 衰变模式的信号速率与背景，重点关注该衰变模式。
• 评估 eγ 对撞机作为探测 LFV Higgs 耦合的补充工具，相较于 ep 和 γγ 模式的优势。
• 在实际实验约束下，对 H→τe 衰变的发现能力提供定量估计。

提出的方法

• 使用有效场论模型化 LFV Higgs 耦合 Hℓiℓj，结合 μ→eγ、τ→μγ 和 τ→eγ 实验的约束。
• 应用来自低能 LFV 过程的约束 |Yτe|² + |Yeτ|² ≤ 0.014，以限制 Hτe 耦合强度。
• 计算 ILC 和 LHeC 能量下，通过 LFV Hτe 顶点实现 eγ → τH 的截面。
• 进行详细的信号-背景分析，考虑 SM 过程如 eγ → τνν̄ 和 eγ → τμν。
• 利用 LHeC 的前向质子标记能力，抑制 QCD 和 QED 背景。
• 应用运动学截断和事件重建技术，以分离 H→τe 衰变信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 ILC 或 LHeC 中的 eγ 碰撞能否观测到 LFV Higgs 耦合 H→τe？
• RQ2 在当前实验约束下，eγ → τH 通过 Hτe 耦合的预期产生截面是多少？
• RQ3 在 ILC 和 LHeC 中，eγ → τH 过程中 SM 背景与 LFV 信号的比较如何？
• RQ4 eγ 对撞机中 H→τe 的发现需要多高的亮度和能量？
• RQ5 eγ 碰撞能否提供比 ep 或 γγ 模式更优、更清洁的 LFV Higgs 耦合探测手段？

主要发现

• 在 ILC 和 LHeC 能量下，通过 Hτe 耦合实现 eγ → τH 的产生截面估计在 1–10 fb 量级，具体取决于耦合强度。
• 在 500 fb⁻¹ 的亮度下，若分支比超过 10⁻⁴，ILC 有可能探测到 H→τe 衰变模式。
• 由于前向质子标记，LHeC 中的信背比显著提高，有效抑制了主要的 QED 和 QCD 背景。
• CMS 在 H→μτ 衰变中观测到 2.4σ 的过剩（Br ≈ 0.84%），表明类似 LFV Higgs 衰变如 H→τe 可能在未来的 eγ 对撞机中可被探测。
• Hτe 耦合受约束为 |Yτe|² + |Yeτ|² ≤ 0.014，允许 H→τe 的分支比高达 ∼10%，使其成为可行的发现目标。
• ILC 和 LHeC 中的 eγ 碰撞提供了更清洁的环境，末态更少，非常适合对 LFV Higgs 耦合进行高精度研究。