[论文解读] The phenomenology of the di-photon excess and $h oτμ$ within 2HDM

Aielet Efrati, Jernej F. Kamenik+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2016

Quantum Mechanics and Applications被引用 5

一句话总结

本文研究了在两希格斯双重模型（2HDM）框架下对750 GeV二胶子共振态及希格斯玻色子衰变 $h \to \tau\mu$ 的解释，表明观测到的 $h \to \tau\mu$ 衰变率与 $h \to VV$ 衰变的约束共同限制了混合角 $\alpha_{vh}$，从而对 $S \to \tau\mu$、$S \to VV$ 和 $S \to hh$ 衰变给出了预测性约束。此外，该研究进一步预测，质量约为750 GeV的带电希格斯玻色子 $H^\pm$ 应可在 $Wh$、$\mu\nu$ 和 $\tau\nu$ 最终态中被探测到。

ABSTRACT

The diphoton excess around $m_S=750$ GeV observed at ATLAS and CMS can be interpreted as coming from $S=H$ and $A$, the neutral components of a second Higgs doublet. If so, then the consistency of the light Higgs decays with the Standard Model predictions provides upper bounds on the rates of $S o VV, hZ, hh$ decays. On the other hand, if $h oτμ$ decay is established, then a lower bound on the rate of $S oτμ$ decay arises. Requiring that $Γ_S\lesssim45$ GeV gives both an upper and a lower bound on the rotation angle from the Higgs basis $(Φ_v,Φ_A)$ to the mass basis $(Φ_h,Φ_H)$. The charged scalar, with $m_{H^\pm}\simeq750$ GeV, is produced in association with a top quark, and can decay to $μ^\pmν$, $τ^\pmν$, $tb$ and $W^\pm h$

研究动机与目标

• 探讨750 GeV二胶子共振态与 $h \to \tau\mu$ 衰变在两希格斯双重模型（2HDM）框架下的自洽性。
• 利用测量到的 $h$ 耦合和 $h \to \tau\mu$ 分支比，推导对混合角 $\alpha_{vh}$ 的约束。
• 在2HDM框架下，预测中性与带电希格斯玻色子的衰变率与产生信号。
• 识别质量为 $m_{H^\pm} \approx 750$ GeV 的带电希格斯玻色子 $H^\pm$ 的可观测信号，特别是 $Wh$、$\mu\nu$ 和 $\tau\nu$ 最终态。

提出的方法

• 分析采用希格斯基矢量基来定义混合角 $\alpha_{vh}$，并将其与传统的 $\alpha - \beta$ 参数化关联。
• 引入比值 $R^{S/h}_{XY} = \Gamma(S \to XY)/\Gamma(h \to XY)$，以比较750 GeV共振态 $S$ 与标准模型类希格斯玻色子 $h$ 的衰变率，该比值依赖于 $\alpha_{vh}$ 和与味相关的参数 $\eta_f$。
• 该模型假设第二个希格斯双重态主要与第三代费米子耦合，从而支持 $S$ 的 $ggF$ 和 $b\bar{b}$ 产生过程。
• 利用 SU(2) 不变性计算带电希格斯衰变率，并引入 $R^{H^+/A}_{XYZ}$ 比值，其分支比依赖于 $\sin\alpha_{vh}$ 和 Yukawa 耦合 $\hat{\eta}_{t,b}$。
• 利用 $h \to VV$ 耦合偏离与 $h \to \tau\mu$ 分支比的约束，得出 $\sin\alpha_{vh} \lesssim 0.2$，且在 $\sin\alpha_{vh} \sim 0.002$ 附近有更严格的约束。
• 在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下评估 $H^\pm$ 与顶夸克联合产生的信号率，并对 $\mu\nu$ 与 $\tau\nu$ 模式施加灵敏度限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV 二胶子共振态与 $h \to \tau\mu$ 衰变是否可在 2HDM 框架下一致解释？
• RQ2 观测到的 $h \to \tau\mu$ 分支比与 $h \to VV$ 耦合偏离对混合角 $\alpha_{vh}$ 施加了何种约束？
• RQ3 在 2HDM 中，$S \to \tau\mu$、$S \to VV$、$S \to hh$ 与 $S \to Zh$ 的预测分支比是多少？它们如何依赖于 $\alpha_{vh}$？
• RQ4 质量约为 750 GeV 的带电希格斯玻色子 $H^\pm$ 的主要产生与衰变道是什么？如何在大型强子对撞机（LHC）上探测？
• RQ5 $H^\pm$ 的 $\mu\nu$ 与 $\tau\nu$ 分支比如何揭示轻子味违反的手征结构？

主要发现

• 当 $\sin\alpha_{vh} \lesssim 0.002$ 时，$S \to \tau\mu$ 衰变率可与 $S \to \gamma\gamma$ 相当，使其可能成为主导衰变模式。
• 当 $\sin\alpha_{vh} \sim 0.2$ 时，$S \to Zh$ 衰变成为主导，而 $S \to VV$ 因 $h \to VV$ 的约束而被抑制。
• 质量约为 750 GeV 的带电希格斯玻色子 $H^\pm$ 预计将衰变为 $Wh$、$\mu\nu$ 与 $\tau\nu$ 最终态，其中 $Wh$ 是一种新颖且复杂的信号。
• $\mu\nu$ 最终态可作为 $\eta_{\mu\tau}$ 介导的味违反的清晰探测手段，当前 LHC 限制已约束了 $\hat{\eta}_t$ 与 $\hat{\eta}_b$。
• $H^\pm \to tb$ 衰变在 750 GeV 时难以探测，需将灵敏度提升十倍才可超越当前限制。
• $H^\pm \to \ell^\pm \nu$ 模式在 10 fb$^{-1}$ 的积分亮度下可被探测，其中 $\mu\nu$ 模式为 $\eta_{\mu\tau}$ 诱导的 $\tau\mu$ 味违反提供了独特信号。