[论文解读] Experimental Constraints on Higgs Boson Decays to TeV-scale Right-Handed Neutrinos

Michael L. Graesser|arXiv (Cornell University)|May 15, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用 23

一句话总结

本文研究了希格斯玻色子通过TeV尺度的高维算符衰变为TeV尺度右手中微子的情况，导致级联衰变产生六个末态粒子，包含两个位移顶点，每个顶点均违反轻子数。来自 Tevatron 的实验约束表明，短衰变长度（≤5 cm）和分支比数量级为1的情况已被排除，而更长的衰变长度尚未被约束，但仍在当前探测器的探测范围内。

ABSTRACT

The existence of neutrino masses strongly suggests that right-handed neutrinos exist, but the data do not favor any particular scale for the Majorana mass parameters. Here I explore the possibility that these particles exist at the electroweak scale along with additional new physics at the TeV scale . Higher dimension operators involving right-handed neutrinos and the Higgs boson can introduce new decay modes of the Higgs boson, significantly modifying its phenomenology if it is light. With minimal flavor violation the Higgs boson cascade decays to 6 particles containing two highly displaced vertices. Each displaced vertex produces an odd number of leptons, leading to a dramatic signature of overall lepton violation at each vertex. I discuss the limits from the Tevatron, and find that they are close to exploring interesting regions of parameters, while limiting others. Moving beyond minimal flavor violation, cascade decays of the Higgs boson into as many as 14 particles can occur.

研究动机与目标

• 研究当新物理在TeV尺度引入高维算符时，希格斯玻色子衰变为右手中微子的唯象学。
• 评估此类衰变在Tevatron中通过位移顶点和轻子数不守恒的可探测性。
• 推导右手中微子衰变为各种末态（包括轻子和夸克）的模型无关分支比。
• 评估现有Tevatron搜索对这一场景参数空间的约束能力。
• 识别仍可被当前和未来对撞机实验探测的参数空间区域，尤其是长衰变长度区域。

提出的方法

• 使用有效场论来建模由TeV尺度新物理诱导的涉及希格斯玻色子和右手中微子的高维算符。
• 利用费米常数和耦合常数，推导右手中微子衰变为轻子对、夸克对和中微末态的模型无关分支比。
• 应用Fierz变换并计算带电电流和中性电流衰变的振幅，包括量子干涉效应。
• 使用公式 $ \Gamma = \frac{G_F^2 M^5}{192\pi^3} |D_{JI}|^2 \times \text{kinematic factors} $ 计算右手中微子衰变为包含带电轻子、中微子和夸克的末态宽度。
• 考虑有限W和Z玻色子宽度对衰变速率的影响，特别是在壳区。
• 分析Tevatron的运动学探测能力，重点关注具有两个位移顶点和高轻子多重性的信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 当高维算符在TeV尺度存在时，希格斯玻色子衰变为右手中微子的主要衰变模式是什么？
• RQ2 长寿命右手中微子产生的位移顶点如何在希格斯级联衰变中产生轻子数不守恒的信号？
• RQ3 右手中微子衰变为各种末态（包括轻子和夸克）的模型无关分支比是多少？
• RQ4 现有Tevatron搜索在多大程度上约束了希格斯玻色子衰变为TeV尺度右手中微子的参数空间？
• RQ5 哪些参数空间区域——尤其是长衰变长度区域——仍具有实验可探测性？

主要发现

• Tevatron搜索已约束平均衰变长度为2–5 cm、分支比数量级为1的希格斯玻色子衰变为右手中微子，表明此类衰变可能为次级主导。
• 衰变长度大于10 cm的区域尚未被Tevatron数据约束，但该区域的产生率接近当前探测阈值。
• 希格斯玻色子可通过两个位移顶点级联衰变为六个末态粒子，每个顶点产生奇数个轻子，导致整体轻子数不守恒。
• 右手中微子衰变为带电轻子对和中微子的宽度因带电流和中性电流振幅之间的量子干涉而增强，在30 GeV时速率提高约10%，在50 GeV时提高约50%。
• 在低能极限下，$ N_I \to l_J^- l_J^+ \nu_J $ 的总衰变速率与0.59成正比，考虑干涉效应后显著低于非相干总和的1.07。
• 右手中微子衰变为同味轻子受到干涉效应抑制，而衰变为不同味轻子和夸克则由组合 $ (g_L^{(K)})^2 + (g_R^{(K)})^2 $ 决定，影响分支比分布。