[论文解读] Flavor violating signatures of neutral Higgs bosons at the LHeC

J. Hernández-Sánchez, S. P. Das+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 3

一句话总结

该论文研究了在未来大型强子电子对撞机（LHeC）上，在具有四零Yukawa纹理的三型双 Higgs 双生模型（2HDM-III）框架下，轻的（SM类）和重的CP偶 Higgs 玻色子（h 和 H）衰变为 b̄s末态的味破坏衰变的发现潜力。通过 e⁻p → νₑh/H q_f 产生过程及后续的 h/H → b̄s 衰变，研究发现：在100 fb⁻¹数据下，h（125 GeV）可达到1–2σ显著性，H（最高150 GeV）可达到1σ显著性；在LHeC运行结束时，数据累积达1000 fb⁻¹，将实现确定性发现（10×显著性）。

ABSTRACT

We analyze the prospect for observing the lightest and heaviest CP-even neutral Higgs bosons ($ϕ=h,\;H$) in their decays to flavor violating $b\bar{s}$ (with charge conjugate) final states at the future Large Hadron electron Collider (LHeC), in the framework of the Two Higgs Doublet Model type III (2HDM-III) assuming a four-zero texture in the Yukawa matrices and a general Higgs potential. We consider the charge current production processes $e^- p o ν_e ϕq_f$ ($ϕ= h, \; H$), with the flavor violating decays of the Higgs bosons. We consider scenarios of the model which are consistent with current experimental data from flavor and Higgs physics. We also consider the most relevant Standard Model (SM) backgrounds. We find that the lightest (SM-like) CP-even Higgs boson $h$ and the heaviest one $ H$ (with mass up to 150 GeV) would have 1--2 $Σ$ and 1 $Σ$ significances, respectively, with 100 fb$^{-1}$ of data. At the end of the LHeC running, the significances would be increased by ten times and the detection of both Higgs bosons ($h, H$) would be guaranteed.

研究动机与目标

• 评估在2HDM-III框架下，于LHeC上观测味破坏衰变h,H → b̄s的可行性。
• 探索在具有四零Yukawa纹理的2HDM-III中，允许增强Higgs介导味破坏的场景。
• 评估在LHeC上，h和H衰变至b̄s的信号显著性相对于主导SM背景的表现。
• 在LHeC实际亮度和探测器条件下，确定这些味破坏Higgs衰变的发现潜力。
• 通过未来轻子-强子对撞机上稀有、味破坏的Higgs衰变，为新物理提供探测手段。

提出的方法

• 在Yukawa矩阵中采用四零纹理对2HDM-III中的Higgs规范进行建模，以抑制树图级FCNC，并允许味破坏的Higgs耦合。
• 使用一般Higgs势，并通过无量纲参数χ_ij^f和相位因子参数化费米子耦合，以描述味破坏相互作用。
• 在LHeC上模拟电荷流产生过程e⁻p → νₑφ q_f（φ = h, H），中心能量约为1.3 TeV，年积分亮度为100 fb⁻¹。
• 应用一系列运动学和拓扑学切割（A至I），以从主导SM背景（如νb̄bj、νt̄bj和ν3j）中分离出信号事件。
• 通过S/√B计算显著性，其中S和B分别为切割后信号和背景事件数，投影LHeC运行末期1000 fb⁻¹的数据。
• 分析四个基准情景（Ia、Ib、IIa、Y），通过改变tanβ和混合参数，覆盖不同味破坏耦合范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有四零Yukawa纹理的2HDM-III框架下，LHeC能否观测到味破坏的Higgs衰变h,H → b̄s？
• RQ2 在100 fb⁻¹数据下，LHeC中h和H在b̄s末态中的探测显著性预期如何？
• RQ3 2HDM-III中的不同基准情景如何影响h,H → b̄s的信号对背景比及发现潜力？
• RQ4 在LHeC上，为实现h和H在b̄s通道中的发现级显著性，需要多大亮度？
• RQ5 LHeC能否将这些味破坏Higgs衰变与主导SM背景（如νb̄bj和νt̄bj）区分开来？

主要发现

• 在100 fb⁻¹积分亮度下，SM类Higgs玻色子h（125 GeV）在多个基准情景中，其h → b̄s衰变通道的显著性达到1–2σ。
• 在相同亮度和情景Ib下，较重的CP偶Higgs玻色子H（150 GeV）在H → b̄s衰变通道中显著性为1σ。
• 在LHeC运行结束时，h和H的信号显著性均提升十倍，达到10–20σ，对应1000 fb⁻¹数据。
• 主导的SM背景为νb̄bj、νt̄bj和ν3j，其中后者因高事件率而尤为具挑战性。
• 在LHeC运行末期，h和H在b̄s末态中的发现可被保证，使其成为味破坏新物理的稳健探针。
• 结果表明，LHeC对超出SM的味破坏Higgs耦合具有敏感性，尤其在b̄s末态中，为新物理提供了独特窗口。