[论文解读] Flavor violating Higgs and $Z$ decays at FCC-ee

Jernej F. Kamenik, Arman Korajac+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 59被引用 5

一句话总结

该论文提出，利用先进的b-、c-和s-夸克喷注识别技术，欧洲核子研究中心的未来环形对撞机（FCC-ee）可探测到夸克态的味破坏型Higgs和Z玻色子衰变（h→bs，h→cu，Z→bs，Z→cu）。研究表明，由于其高亮度和洁净的环境，FCC-ee可探测到当前间接约束之外的新物理参数空间，特别是在类型III的两Higgs双重模型中，其灵敏度可低于B-s和D介子混合的间接约束。

ABSTRACT

Recent advances in $b$, $c$, and $s$ quark tagging coupled with novel statistical analysis techniques will allow future high energy and high statistics electron-positron colliders, such as the FCC-ee, to place phenomenologically relevant bounds on flavor violating Higgs and $Z$ decays to quarks. We assess the FCC-ee reach for $Z/h o bs, cu$ decays as a function of jet tagging performance. We also update the SM predictions for the corresponding branching ratios, as well as the indirect constraints on the flavor violating Higgs and $Z$ couplings to quarks. Using type III two Higgs doublet model as an example of beyond the standard model physics, we show that the searches for $h o bs, cu$ decays at FCC-ee can probe new parameter space not excluded by indirect searches. We also reinterpret the FCC-ee reach for $Z o bs , cu$ in terms of the constraints on models with vectorlike quarks.

研究动机与目标

• 通过考虑现实的喷注识别性能，评估FCC-ee对味破坏型Higgs和Z玻色子衰变至夸克（h→bs，h→cu，Z→bs，Z→cu）的探测灵敏度。
• 更新标准模型中h→bs和h→cu衰变分支比的预测。
• 证明FCC-ee可在类型III两Higgs双重模型中探测到当前间接约束（来自B-s和D介子混合）尚未排除的新参数空间。
• 重新解释FCC-ee对Z→bs,cu衰变的探测能力，以获得对向量型夸克模型的约束。

提出的方法

• 根据b-和s-喷注识别结果，将事件划分为(nb, ns)区间，其中nb和ns分别表示识别出的b-和s-喷注数量，通过反识别确保正交性。
• 利用信号与背景的分支比、总事件产额（Nh=6.7×10⁵，NZ=5×10¹²）以及探测器接受度，计算每个(nb, ns)区间的预期事件数。
• 通过比较不同识别区间内信号与背景的事件分布，评估统计灵敏度，充分利用e+e−对撞的洁净环境。
• 将分析扩展至Z→bs,cu衰变，将喷注识别器的系统误差视为主要限制因素。
• 在类型III两Higgs双重模型（2HDM-III）的框架下推导理论预测，通过有效哈密顿量计算新物理对介子混合的贡献。
• 通过将理论预测与Bs–Bs̄和D–D̄混合的实验限制进行比较，推导出约束条件，并与h→undet.衰变分支比的直接约束进行对比。

Figure 1: Graphical representation of the probabilistic model for determining $\mathcal{B}(Z/h\to bs)$ . Starting with the $Z/h\to f$ partonic decay, where $f=\{u\bar{u}+d\bar{d}(gg),s\bar{s},c\bar{c},b\bar{b},bs\}$ for $Z(h)$ , the tagged flavours of the two final state jets, $Z/h\to j_{1}j_{2}$ ,

实验结果

研究问题

• RQ1 FCC-ee能否在B-s–B-s̄和D–D̄混合的间接约束之下，实现对h→bs和h→cu味破坏型Higgs衰变的探测灵敏度？
• RQ2 b-、c-和s-喷注识别性能如何影响FCC-ee对h→bs和h→cu衰变的探测能力？
• RQ3 在类型III两Higgs双重模型中，FCC-ee通过h→bs,cu衰变可探测到哪些尚未被间接搜索排除的参数空间？
• RQ4 FCC-ee通过Z→bs,cu衰变可多大程度上约束向量型夸克模型？
• RQ5 h→undet.衰变的直接约束与介子混合的间接约束相比，在限制味破坏型Higgs耦合方面有何差异？

主要发现

• 即使在现实的喷注识别性能下，FCC-ee仍可探测到低于B-s–B-s̄和D–D̄混合间接约束的h→bs和h→cu衰变分支比。
• FCC-ee对h→bs和h→cu衰变的探测灵敏度超越了当前的间接约束，尤其在类型III 2HDM模型中，可进入新的参数空间。
• 对于h→bs和h→cu，h→undet.衰变的直接约束（95%置信水平下B(h→undet.)<0.16）意味着|yqq′|² + |yq′q|² < 7.3×10⁻³，该结果与LHC上Higgs粒子产生过程的最小影响一致。
• 分析表明，Z→bs和Z→cu衰变对向量型夸克模型敏感，其探测能力主要受限于喷注识别器的系统误差。
• 在2HDM-III中，引入重Higgs粒子贡献（mH=mA=1 TeV）会改变Ybs、Ycu和Ydb的允许参数空间，但FCC-ee仍可探测到未被间接搜索排除的区域。
• 本研究证实，高亮度、洁净环境与先进喷注识别技术的结合，使FCC-ee能够探测到此前被认为难以触及的高能味破坏型FCNC过程。

Figure 2: Top: Expected $95\%$ CL upper bounds on $\mathcal{B}(h\to bq)$ as a function of the $b$ -tagger efficiencies, neglecting systematic uncertainties. Bottom: Expected $95\%$ CL upper bounds on $\mathcal{B}(h\to bs)$ as a function of TPR and FPR. Solid (dashed) lines and colors are with defaul