[论文解读] Charged lepton flavor violating Higgs decays at the CEPC

Qin Qin, Q. Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文评估了环形电子-positron对撞机（CEPC）及其他未来对撞机对带电轻子味违反Higgs衰变的敏感度，预测了在95%置信水平下的分支比上限。CEPC的灵敏度比当前实验约束高出两个数量级，能够对涉及轻子味违反的新物理模型施加严格约束。

ABSTRACT

After the discovery of the Higgs boson, several future experiments have been proposed to study the Higgs boson properties, including two circular lepton colliders, the CEPC and the FCC-ee, and one linear lepton collider, the ILC. We evaluate the precision reach of these colliders in measuring the branching ratios of the charged lepton flavor violating Higgs decays $H o e^\pm\mu^\mp$, $e^\pm au^\mp$ and $\mu^\pm au^\mp$. The expected upper bounds on the branching ratios given by the circular (linear) colliders are found to be $\mathcal{B}(H o e^\pm\mu^\mp) < 1.2 (2.1) imes 10^{-5}$, $\mathcal{B}(H o e^\pm au^\mp) < 1.6 (2.4) imes 10^{-4}$ and $\mathcal{B}(H o \mu^\pm au^\mp) < 1.4 (2.3) imes 10^{-4}$ at 95\% CL, which are improved by one to two orders compared to the current experimental bounds. We also discuss the constraints that these upper bounds set on certain theory parameters, including the charged lepton flavor violating Higgs couplings, the corresponding parameters in the type-III 2HDM, and the new physics cut-off scales in the SMEFT, in RS models and in models with heavy neutrinos.

研究动机与目标

• 评估未来轻子对撞机（包括CEPC、FCC-ee和ILC）在探测带电轻子味违反Higgs衰变方面的精度范围。
• 改进当前对稀有Higgs衰变（如$H \to e^\pm\mu^\mp$、$H \to e^\pm\tau^\mp$和$H \to \mu^\pm\tau^\mp$）的实验约束。
• 推导类型-III 2HDM、SMEFT、Randall-Sundrum模型以及含重中微子的模型中理论参数的约束。
• 量化未来对撞机对这些稀有衰变分支比的预期上限。
• 比较环形对撞机（CEPC、FCC-ee）与线性对撞机（ILC）在探测轻子味违反方面的性能差异。

提出的方法

• 利用CEPC及其他对撞机的预期亮度和能量分辨率，模拟不同带电轻子味末态中稀有Higgs衰变的探测。
• 应用统计方法，计算$H \to e^\pm\mu^\mp$、$H \to e^\pm\tau^\mp$和$H \to \mu^\pm\tau^\mp$分支比的95%置信水平（CL）上限。
• 采用信号-背景分析框架，估算对撞机对这些稀有过程的探测灵敏度。
• 将预期的分支比上限转化为对有效耦合及新物理尺度参数的约束。
• 分析这些约束对特定模型的影响：类型-III 2HDM、SMEFT、翘曲额外维度（RS）以及含重惰性中微子的模型。
• 在使用相同理论输入和模拟假设的前提下，比较CEPC和FCC-ee（环形）与ILC（线性）对撞机的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CEPC上，$H \to e^\pm\mu^\mp$、$H \to e^\pm\tau^\mp$和$H \to \mu^\pm\tau^\mp$的预期95%置信水平上限分支比是多少？
• RQ2 CEPC在探测轻子味违反Higgs衰变方面的预期灵敏度与ILC和FCC-ee相比如何？
• RQ3 预期的上限在多大程度上约束了有效场论中带电轻子味违反Higgs耦合的有效耦合？
• RQ4 对撞机的限制在多大程度上约束了类型-III 2HDM、SMEFT、RS及重中微子模型中新物理的尺度？
• RQ5 环形对撞机（CEPC/FCC-ee）相比当前实验约束和线性对撞机（ILC），在这些稀有衰变中实现了多大程度的灵敏度提升？

主要发现

• CEPC预计可实现95%置信水平上限$\mathcal{B}(H \to e^\pm\mu^\mp) < 1.2 \times 10^{-5}$，相比当前约束提升高达两个数量级。
• 对于$H \to e^\pm\tau^\mp$，CEPC预测的95%置信水平上限为$\mathcal{B} < 1.6 \times 10^{-4}$，显著优于现有限制。
• CEPC对$H \to \mu^\pm\tau^\mp$设定了95%置信水平的上限$\mathcal{B}(H \to \mu^\pm\tau^\mp) < 1.4 \times 10^{-4}$，同样比当前实验约束提升一到两个数量级。
• ILC预计可实现相当但灵敏度较低的约束，其95%置信水平上限为：$\mathcal{B}(H \to e^\pm\mu^\mp) < 2.1 \times 10^{-5}$，$\mathcal{B}(H \to e^\pm\tau^\mp) < 2.4 \times 10^{-4}$，$\mathcal{B}(H \to \mu^\pm\tau^\mp) < 2.3 \times 10^{-4}$。
• CEPC的预期上限将有效带电轻子味违反Higgs耦合约束在自然单位下$\sim 10^{-5}$至$10^{-4}$以下。
• 这些限制约束了各种模型中的新物理截断尺度：$\Lambda_{\text{SMEFT}} \gtrsim 10^3$ TeV，$\Lambda_{\text{RS}} \gtrsim 10^3$ TeV，以及$\Lambda_{\text{heavy neutrino}} \gtrsim 10^3$ TeV，具体取决于模型参数。