[论文解读] New Physics Models Facing Lepton Flavor Violating Higgs Decays

Nejc Košnik|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文研究了CMS实验在Higgs玻色子衰变至τ子和μ子轻子（h→τμ）中发现的暂定2.4σ过量信号的含义，利用有效场论和全球Higgs数据推导出对轻子味破坏性Higgs耦合的稳健约束。结果表明，若该信号得到确认，将导致Belle II实验可观测到τ→μγ衰变，同时通过μ→eγ和μ-e转换的间接探测手段严格限制h→τe衰变，未来实验可将探测灵敏度提升至10⁻⁵–10⁻¹²量级。

ABSTRACT

We speculate about the possible interpretations of the recently observed excess in the $h o τμ$ decay. We derive a robust lower bound on the Higgs boson coupling strength to a tau and a muon, even in presence of the most general new physics affecting other Higgs properties. Then we reevaluate complementary indirect constraints coming from low energy observables as well as from theoretical considerations. In particular, the tentative signal should lead to $τ o μγ$ at rates which could be observed at Belle II. In turn we show that, barring fine-tuned cancellations, the effect can be accommodated within models with an extended scalar sector. These general conclusions are demonstrated in explicit new physics models. Finally we show how, given the $h o τμ$ signal, the current and future searches for $μ o e γ$ and $μ o e$ nuclear conversions unambiguously constrain the allowed rates for $h o τe$.

研究动机与目标

• 评估CMS实验在新物理模型背景下对h→τμ衰变中观察到的暂定2.4σ过量信号的可行性。
• 即使其他Higgs性质因新物理而改变，仍推导出对有效Higgs耦合至τ和μ轻子的稳健下限。
• 研究低能轻子味破坏过程（如τ→μγ、μ→eγ和μ-e核转换）带来的间接约束。
• 确定h→τμ信号是否可被包含扩展标量谱的模型容纳，特别是类型-III两Higgs双峰模型（THDM III）。
• 利用μ→eγ和μ-e转换的约束，建立h→τμ与h→τe分支比之间的关联。

提出的方法

• 采用有效场论（EFT）方法，通过拉格朗日量中的非对角Yukawa项yτμ和yμτ参数化轻子味破坏性Higgs耦合。
• 应用LHC Higgs产生与衰变数据的全局拟合，提取|yτμ|² + |yμτ|²的约束，同时考虑Higgs总宽度（Γh）和产生截面（σh）的修改。
• 利用自然性准则√|yτμ yμτ| ≲ √(mμ mτ)/v ≈ 0.0018，推导有效耦合的理论下限。
• 利用包含电磁场张量Fαβ和手征性投影算符的有效拉格朗日量，计算τ→μγ的圈修正分支比。
• 通过有效算符评估μ→eγ和μ-e转换的约束，推导出LFV Higgs衰变与这些过程之间的关系。
• 结合μ→eγ（≤5.7×10⁻¹³）和μ-e转换（≤7×10⁻¹³）的实验限制，通过涉及h→τμ的乘积关系约束h→τe。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使其他Higgs性质被新物理修改，观测到的h→τμ中2.4σ过量信号是否可被一致解释为新物理的信号？
• RQ2 在不依赖其他Higgs耦合假设的前提下，对有效Higgs耦合至τ和μ轻子的稳健下限是什么？
• RQ3 若h→τμ分支比处于0.84%水平，τ→μγ、μ→eγ和μ-e转换的间接约束将如何限制h→τe的分支比？
• RQ4 h→τμ信号是否可被包含扩展标量谱的模型（如类型-III两Higgs双峰模型）容纳？
• RQ5 未来对μ→eγ和μ-e转换的实验将能在多大程度上探测h→τμ与h→τe分支比的乘积？

主要发现

• 即使Γh和σh被修改，对有效Higgs耦合至τ和μ轻子的强度仍确立了稳健下限：68%置信水平为0.0017，95%置信水平为0.0036。
• 观测到的h→τμ分支比与自然性约束√|yτμ yμτ| ≲ 0.0018相容，表明无需精细调节。
• 若h→τμ信号得到确认，Belle II实验中τ→μγ衰变率将可被观测到，这是由于EFT框架下存在强烈关联。
• 当前对h→τe的间接约束为B(h→τe) < 0.26%，弱于τ→eγ的现有限制（B < 0.19%）。
• 未来μ→eγ和μ-e转换搜索的改进，将使EFT中对B(h→τe)的间接探测灵敏度达到10⁻⁵量级，THDM III中可达10⁻¹²或更高。
• 在类型-III THDM中，h→τμ与h→τe无法同时处于百分之一水平；该模型预测h→τe分支比显著被抑制。