[论文解读] Two more hidden scalars around 125 GeV and $h o μτ$

Dipankar Das, Anirban Kundu|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种在对齐极限下具有树图级味改变中性流的两希格斯双重模型（2HDM），以解释在125 GeV处CMS观测到的 $ h \to \mu\tau $ 2.4σ信号。该模型将两个几乎简并的标量 $ H $ 和 $ A $ 作为LFV衰变的来源，而标准模型（SM）类希格斯粒子 $ h $ 仍保持味守恒。该模型预测 $ \text{Br}(h\to\mu\tau) \approx 0.84\% $，且 $ \text{Br}(\mu\to e\gamma) $ 接近实验上限，同时在 $ e\tau $ 最终态中存在约 $ 2\% $ 的增强，使其可在大型强子对撞机（LHC）上被检验。

ABSTRACT

We show that the $2.4σ$ signal of the leptonic flavor violating (LFV) Higgs boson decay $h oμτ$, as observed by the CMS collaboration recently, can be explained by a certain class of two-Higgs doublet models that allow controllable flavor-changing neutral current with minimal number of free parameters. We postulate that (i) the alignment limit is maintained, which means the lightest neutral scalar ($h$) has identical couplings to that of the Standard Model Higgs boson and (ii) the signal comes from two other neutral scalars, the CP-even $H$ and the CP-odd $A$, almost degenerate with $h$ at 125 GeV. We also show that (i) it is entirely possible that these scalars are hidden, apart from this LFV signal; (ii) the signal strengths of $b\bar{b}$, $τ^+τ^-$ and $γγ$ around 125 GeV put severe constraints on the parameter space of such models; (iii) the constraint is further enhanced by the non-observation of processes like $μ o eγ$, and we predict that the branching ratio of $μ o eγ$ cannot be even an order below the present experimental limit, highlighting the role it plays in forcing $H$ and $A$ to be near-degenerate; (iv) an enhancement in the $τ^+τ^-$ production cross-section at around 125 GeV is expected in the gluon fusion channel, and should be observed during the next run of the LHC; (v) the branching ratio in the $eτ$ channel is enhanced and is expected to be at least about $2\%$. The constrained parameter space and minimum number of free parameters, along with such strong predictions, make this model easily testable and falsifiable.

研究动机与目标

• 通过具有树图级FCNC的最小2HDM解释CMS观测到的 $ h\to\mu\tau $ 信号。
• 保持对齐极限，使SM类希格斯粒子 $ h $ 不具有树图级FCNC耦合。
• 确保 $ H $ 和 $ A $ 几乎简并，以通过干涉效应抑制 $ \mu\to e\gamma $。
• 通过精确的LHC测量和未来的 $ \mu\to e\gamma $ 搜索使该模型可检验且可证伪。

提出的方法

• 采用Branco-Grimus-Lavoura（BGL）2HDM，通过混合矩阵元素除去树图级FCNC。
• 假设对齐极限，以确保 $ h $ 与费米子的耦合符合标准模型，避免直接LFV。
• 假设 $ H $ 和 $ A $ 均与 $ h $ 几乎简并，通过圈图贡献介导 $ h\to\mu\tau $ 衰变。
• 利用 $ \mu\to e\gamma $ 的约束强制要求 $ m_H \approx m_A $，以确保振幅的破坏性干涉。
• 使用依赖于 $ \tan\beta $ 的耦合计算分支比，重点考虑 $ \nu_1 $-型模型以满足约束条件。
• 通过胶子融合产生机制评估LHC信号，强调 $ \tau\tau $、$ \gamma\gamma $ 和 $ b\bar{b} $ 最终态。

实验结果

研究问题

• RQ1 125 GeV处的 $ h\to\mu\tau $ 信号是否可由两个新近简并的标量 $ H $ 和 $ A $ 解释，而非标准模型希格斯粒子的混合诱导的LFV耦合？
• RQ2 如果 $ H $ 和 $ A $ 不几乎简并，如何调和 $ \mu\to e\gamma $ 未被观测到与LFV希格斯衰变之间的矛盾？
• RQ3 胶子融合过程中的 $ h\to\tau\tau $ 信号强度对模型参数空间施加了何种约束？
• RQ4 预测的 $ e\tau $ 和 $ \mu\to e\gamma $ 分支比是多少？与实验极限相比如何？

主要发现

• 该模型预测分支比为 $ \text{Br}(h\to\mu\tau) = 0.84^{+0.39}_{-0.37}\% $，与CMS观测结果一致。
• $ \mu\to e\gamma $ 的分支比预测接近当前实验上限，未来实验中可被探测。
• $ e\tau $ 最终态的分支比预测至少为 $ 2\% $，显著高于标准模型预期。
• 由于 $ H $ 和 $ A $ 的贡献，胶子融合过程中 $ h\to\tau\tau $ 的信号强度预计会出现显著增强。
• $ \tan\beta $ 的允许范围被限制在 $ 0.4 < \tan\beta < 2.8 $，优选值接近 $ \tan\beta = 1 $。
• 该模型具有高度预测性和可证伪性：若未来对 $ \text{Br}(h\to\mu\tau) $ 的测量低于允许的最小值，将可排除该模型。