[论文解读] Search for the lepton-flavor violating decay of the Higgs boson and additional Higgs bosons in the e$μ$ final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|May 29, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 86被引用 3

一句话总结

本论文利用CMS实验采集的138 fb⁻¹数据，在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，对Higgs玻色子衰变至电子-μ子末态的轻子味违反过程进行了直接搜索。未观测到显著过量；在95%置信水平下，H→eμ分支比的观测（预期）上限分别为4.4×10⁻⁵（4.7×10⁻⁵），创下迄今最严格的直接限制。

ABSTRACT

A search for the lepton-flavor violating decay of the Higgs boson and potential additional Higgs bosons with a mass in the range 110-160 GeV to an e$^{\pm}μ^{\mp}$ pair is presented. The search is performed with a proton-proton collision dataset at a center-of-mass energy of 13 TeV collected by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. No excess is observed for the Higgs boson. The observed (expected) upper limit on the e$^{\pm}μ^{\mp}$ branching fraction for it is determined to be 4.4 (4.7) $ imes$ 10$^{-5}$ at 95% confidence level, the most stringent limit set thus far from direct searches. The largest excess of events over the expected background in the full mass range of the search is observed at an e$^{\pm}μ^{\mp}$ invariant mass of approximately 146 GeV with a local (global) significance of 3.8 (2.8) standard deviations.

研究动机与目标

• 在大型强子对撞机（LHC）上搜索Higgs玻色子及额外Higgs玻色子在eμ末态中的轻子味违反（LFV）衰变。
• 通过非对角Yukawa耦合预测LFV Higgs衰变的超出标准模型（BSM）理论进行检验。
• 通过直接搜索改进对LFV Higgs衰变的约束，补充依赖于标准模型Yukawa耦合假设的间接限制。
• 探索如Type-III双Higgs双重模型（2HDM）等模型中的参数空间，其中较重Higgs玻色子的LFV衰变具有重要意义。

提出的方法

• 分析CMS实验在√s = 13 TeV下收集的质子-质子碰撞数据，对应138 fb⁻¹的积分亮度。
• 利用事件重建技术识别来自Higgs玻色子衰变的即时、电荷相反的电子-μ子对。
• 针对主要Higgs产生模式（胶子-胶子融合gg→H和矢量玻色子融合VBF）优化分析，排除矢量玻色子关联产生模式。
• 应用事件选择标准以抑制主要背景，包括Drell-Yan过程和顶夸克过程。
• 使用数据驱动技术与蒙特卡罗模拟建模信号与背景贡献，并进行详细的系统误差估计。
• 执行盲化分析，并采用轮廓似然比方法在95%置信水平下设定分支比上限。

Figure 1: The ${m_{\Pe\PGm}}$ distributions of the data, simulated backgrounds and signals of ${\PH\to\Pe\PGm}$ in the ${\Pg\Pg\PH}$ (left) and the VBF categories (right). A ${{\mathcal{B}(\PH\to\Pe\PGm)}=0.2\%}$ is assumed for the signal for illustration. The lower panel in each plot shows the rati

实验结果

研究问题

• RQ1 在110–160 GeV质量范围内，Higgs玻色子衰变至电子-μ子对（H→eμ）的分支比上限是多少？
• RQ2 在相同质量窗口内，是否存在新Higgs玻色子衰变至eμ的证据？
• RQ3 结果如何约束具有非对角轻子味违反Yukawa耦合的模型，如Type-III 2HDM？
• RQ4 H→eμ的直接限制与来自μ→eγ等过程推导出的间接限制相比如何？
• RQ5 在eμ不变质量分布中，任何观测到的过量具有何种显著性？

主要发现

• 在110–160 GeV质量范围内，Higgs玻色子衰变通道H→eμ未观测到显著过量。
• 在95%置信水平下，H→eμ分支比的观测（预期）上限分别为4.4×10⁻⁵（4.7×10⁻⁵），创下迄今最严格的直接限制。
• 在约146 GeV的eμ不变质量处观测到最大局部（全局）显著性为3.8σ（2.8σ），但未超过发现的显著性阈值。
• 本分析为LFV Higgs衰变的直接搜索设立了新基准，优于此前ATLAS实验的限制（观测值6.2×10⁻⁵）。
• 结果对预测LFV Higgs衰变的BSM模型构成约束，尤其在较重Higgs玻色子可能衰变为eμ的Type-III双Higgs双重模型中具有重要意义。
• 本研究展示了CMS探测器对稀有LFV过程的灵敏度，并强调了在不依赖标准模型Yukawa耦合假设的情况下，直接搜索的重要性。

Figure 2: The ${\Pg\Pg\PH}$ and VBF BDT discriminant distributions of the data, simulated backgrounds and signals of ${\PH\to\Pe\PGm}$ for each BDT trained in the ${\Pg\Pg\PH}$ (left) and the VBF categories (right). A ${{\mathcal{B}(\PH\to\Pe\PGm)}=1.0\%}$ is assumed for the signal for illustration.