[论文解读] Constraints on scalar and vector leptoquarks from the LHC Higgs data

Jian Zhang, C. X. Yue+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 56被引用 9

一句话总结

本文利用LHC第I、II run的Higgs数据，研究了标量和矢量轻子希格斯玻色子（LQs）的约束，重点关注环图诱导的Higgs产生（gg→h）和衰变（h→γγ）。对标量LQs提供了模型无关的约束，并分析了'4321'模型中的矢量LQ $U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$，提出了一种通过联合拟合Higgs数据与$R_{D^{(*)}}$、$R_{K^{(*)}}$测量结果来确定真空期望值$υ_3$和$υ_1$的方法。主要结果为：在环图贡献占主导的场景B中，95%置信水平下约束为$υ_3^2 + υ_1^2 \in [0.939, 1.748]\ \text{TeV}^2$。

ABSTRACT

We study contributions of single scalar or vector leptoquark (LQ) to loop-induced Higgs processes, gluon fusion production ($g g o h$) and $h o γγ$ decay, by analyzing the current Higgs data from the LHC Run I and II. Scalar LQ is studied in a model independent way, while the vector LQ $U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$ is discussed in the '4321' model. Constraints on the interactions of LQ and Higgs boson are obtained. We provide a method to determine vacuum expectation values $\upsilon_3$ and $\upsilon_1$ of the new scalar fields $Ω_3$ and $Ω_1$ in the '4321' model via the combination of Higgs data and measurements of $R_{D^{(*)}}$ and $R_{K^{(*)}}$.

研究动机与目标

• 利用LHC第I、II run的精确Higgs数据，约束标量和矢量轻子希格斯玻色子与Higgs玻色子的耦合。
• 在'4321'模型中研究矢量轻子希格斯玻色子$U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$，该模型旨在解释B介子异常。
• 开发一种方法，利用联合Higgs和B衰变数据，确定'4321'模型中新标量场的真空期望值$υ_3$和$υ_1$。
• 评估$U_1$轻子希格斯玻色子通过树图和环图贡献，是否能同时解释$R_{D^{(*)}}$和$R_{K^{(*)}}$异常。

提出的方法

• 利用LHC Higgs数据，对标量轻子希格斯玻色子在环图诱导的Higgs产生（gg→h）和衰变（h→γγ）中的贡献进行模型无关分析。
• 将矢量轻子希格斯玻色子$U_1$引入'4321'模型，计算其对$b\to s\ell\ell$跃迁的树图和环图贡献。
• 使用窄宽度近似，将Higgs信号强度分解为耦合修正因子$\kappa_g$、$\kappa_\gamma$和$\kappa_h$，以与实验数据比较。
• 采用$χ^2$最小化方法，结合相关不确定度，将理论预测的$\Delta C^{\mu\mu}_{9}$和$\Delta R_{D^{(*)}}$与实验测量值进行拟合。
• 分别分析两种场景：一种以树图$U_1$贡献为主（场景A），另一种以环图贡献为主（场景B）。
• 通过联合拟合$R_{D^{(*)}}$、$R_{K^{(*)}}$和Higgs信号强度数据，在95%置信水平下推导$υ_3^2 + \upsilon_1^2$的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于LHC第I、II run的联合Higgs数据，标量轻子希格斯玻色子与Higgs玻色子的耦合约束是什么？
• RQ2 在'4321'模型中，矢量轻子希格斯玻色子对$b\to s\ell\ell$跃迁的贡献如何影响$R_{D^{(*)}}$和$R_{K^{(*)}}$异常？
• RQ3 能否通过联合拟合Higgs数据和B介子衰变测量结果，确定'4321'模型中$υ_3$和$υ_1$的真空期望值？
• RQ4 树图与环图贡献在$U_1$对$R_{D^{(*)}}$和$R_{K^{(*)}}$异常的贡献中，相对重要性如何？
• RQ5 在当前实验数据下，$υ_3^2 + \upsilon_1^2$在95%置信水平下的允许范围是什么？

主要发现

• 在场景A中，树图$U_1$贡献主导$R_{D^{(*)}}$异常时，$υ_3^2 + \upsilon_1^2$的95%置信水平区间为$[1.127, 2.226]\ \text{TeV}^2$。
• 在场景B中，环图贡献占主导时，$υ_3^2 + \upsilon_1^2$的95%置信水平区间为$[0.939, 1.748]\ \text{TeV}^2$，最佳拟合值为$1.220 \pm 0.187\ \text{TeV}^2$。
• 对标量轻子希格斯玻色子的模型无关分析，利用LHC第I、II run的联合Higgs数据，更新了其与Higgs玻色子耦合的约束。
• 矢量轻子希格斯玻色子$U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$在'4321'模型框架内，为$R_{D^{(*)}}$和$R_{K^{(*)}}$异常提供了可行的解释。
• 对$R_{D^{(*)}}$和$R_{K^{(*)}}$数据的拟合结果为$\left.\Delta C^{\mu\mu}_{9,U_1}\right|_{\text{tree}} = -0.41 \pm 0.10$和$\left.\Delta C^{\mu\mu}_{9,U_1}\right|_{\text{loop}} = -1.01 \pm 0.20$，表明存在显著的新物理贡献。
• 所提出的方法通过结合Higgs信号强度数据与B介子衰变测量结果，实现了$υ_3$和$υ_1$的自洽确定，降低了'4321'模型中的理论不确定性。