[论文解读] $H ightarrow au \mu$ and excess in $t\bar{t}H$: Connecting the dots in the hope for the first glimpse of BSM Higgs signal

Biplob Bhattacherjee, Sabyasachi Chakraborty+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出，一种轻子味破坏的希格斯玻色子衰变 $H \to \mu\tau$ 可能解释了在 CMS 实验的 $t\bar{t}H$ 搜索中观测到的 $2.4\sigma$ 超额信号。通过级联衰变将 $H \to \mu\tau$ 衰变与 $t\bar{t}H$ 信号联系起来，该模型为两个独立的异常现象提供了统一的解释，暗示新物理存在于电弱尺度。

ABSTRACT

A recent CMS search for the lepton flavor violating (LFV) decays of the Higgs boson reports an interesting deviation from the standard model (SM). The search conducted in the channel $H ightarrow \mu au_e$ and $H ightarrow \mu au_{ extrm{had}}$ showed an excess of $2.4\sigma$ signal events with 19.7 fb$^{-1}$ data and centre-of-mass energy $\sqrt s=8$ TeV. On the other hand, a search performed by CMS for the SM Higgs boson produced in association with a top quark pair ($t\bar t H$) also showed an excess in the same-sign di-muon final state. In this work we propose, that a lepton flavor violating Higgs decay ($H ightarrow \mu au$) can explain the excess in the same sign di-muon final state in the $t\bar t H$ search. Relying on such non standard Higgs boson decay to explain this excess is of immense interest and might contain hints of new physics at the electroweak scale.

研究动机与目标

• 解释在 CMS 实验的 $t\bar{t}H$ 搜索中观测到的同号双mu子末态的 $2.4\sigma$ 超额信号。
• 研究是否存在轻子味破坏的希格斯衰变，特别是 $H \to \mu\tau$，可以解释这一异常现象。
• 探讨此前独立的 CMS 搜索中观测到的 $H \to \mu\tau$ 衰变模式是否与 $t\bar{t}H$ 超额信号存在关联。
• 评估单一新物理机制——$H \to \mu\tau$——是否可作为统一解释两个独立实验异常的可行方案。

提出的方法

• 分析 $t\bar{t}H$ 产生过程，其中希格斯玻色子衰变为 $\mu\tau$ 末态，且 $\tau$ 粒子进一步发生轻子衰变产生第二个 mu 子。
• 建立级联衰变链 $H \to \mu\tau \to \mu\mu + \text{缺失能量}$ 的模型，该过程产生同号双mu子信号。
• 将先前 CMS 搜索中观测到的 $2.4\sigma$ $H \to \mu\tau$ 超额作为关键输入，以约束 $H \to \mu\tau$ 的分支比。
• 在相同理论框架下评估 $H \to \mu\tau$ 衰变率与 $t\bar{t}H$ 同号双mu子超额之间的兼容性。
• 应用与 CMS $t\bar{t}H$ 搜索一致的运动学和事件选择标准，以评估信号的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 $t\bar{t}H$ 搜索中同号双mu子末态的 $2.4\sigma$ 超额是否可由轻子味破坏的希格斯衰变 $H \to \mu\tau$ 解释？
• RQ2 为解释观测到的 $t\bar{t}H$ 超额，$H \to \mu\tau$ 所需的分支比是多少？
• RQ3 是否存在一个一致的理论框架，使得 $H \to \mu\tau$ 衰变能够同时解释 $H \to \mu\tau$ 和 $t\bar{t}H$ 异常？
• RQ4 $H \to \mu\tau$ 衰变模式如何影响 $t\bar{t}H$ 过程的运动学特征，特别是在同号双mu子通道中？

主要发现

• 通过级联衰变 $H \to \mu\tau \to \mu\mu + \text{缺失能量}$，$H \to \mu\tau$ 衰变模式可产生同号双mu子末态，与 $t\bar{t}H$ 超额的信号一致。
• 在 $\sqrt{s} = 8$ TeV 下使用 19.7 fb$^{-1}$ 数据观测到的 $2.4\sigma$ $H \to \mu\tau$ 超额，为解释 $t\bar{t}H$ 异常提供了可行的信号速率。
• 在假设 $H \to \mu\tau$ 衰变真实存在的前提下，该模型预测的 $t\bar{t}H$ 同号双mu子通道信号速率与观测超额一致。
• 所提出的解释将两个独立异常——$H \to \mu\tau$ 和 $t\bar{t}H$ 同号双mu子——统一于电弱尺度的一个新物理机制之下。