Lepton flavor violation in Higgs boson decays at the HL-LHC

Titel: Leptonflavourschending in Higgs-bosonvervallen bij de HL-LHC

Auteurs: M. A. Arroyo-Ureña et al.
Institution: Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (Mexico) en Durham University (VK).
Doel: Onderzoek naar de detectie van geladen leptonflavourschending (cLFV) in Higgs-bosonvervallen ($h \to \ell_i \ell_j$) bij de High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC).

---

1. Het Probleem

In het Standaardmodel (SM) met massaloze neutrino's wordt het leptonfamiliegetal strikt behouden. Hoewel neutrino-oscillaties aantonen dat leptonflavourschending (LFV) in het neutrale sector mogelijk is, zijn de voorspelde snelheden voor geladen LFV-processen (zoals $\mu \to e\gamma$ of $h \to \tau\mu$) extreem onderdrukt door de kleine neutrino-massa's ($m_\nu^2/m_W^2$).

De observatie van geladen LFV-vervallen zou een onmiskenbaar bewijs zijn voor "Beyond the Standard Model" (BSM) fysica. Hoewel er strenge bovengrenzen zijn gesteld voor processen zoals $\mu \to e\gamma$ en $\tau \to 3\mu$, zijn er nog geen directe waarnemingen. Specifiek voor Higgs-vervallen ($h \to \ell_i \ell_j$) zijn de huidige experimentele grenzen (van ATLAS en CMS) nog niet restrictief genoeg om nieuwe fysica uit te sluiten, maar ze bieden een basis voor de HL-LHC (gepland rond 2026-2035 met een geïntegreerde luminositeit van 3000 fb$^{-1}$).

2. Methodologie en Theoretisch Kader

Theoretisch Model: Froggatt-Nielsen Singlet Model (FNSM)
De auteurs analyseren LFV binnen het kader van het Froggatt-Nielsen Singlet Model.

• Uitbreiding van het scalair sector: Het SM wordt uitgebreid met een complex singlet scalair veld ($S_F$) naast het Higgs-dubbellet ($\Phi$).
• Symmetrie: Een globale $U(1)_F$-symmetrie (flavoursymmetrie) wordt geïntroduceerd. De breuk van deze symmetrie door de vacuümverwachtingswaarde (VEV) van het singlet ($v_s$) verklaart de hiërarchie in fermionmassa's en menging.
• Yukawa-koppelingen: De interacties worden beschreven door een Yukawa-Lagrangiaan waarbij de koppelingen afhankelijk zijn van de ladingen van de fermionen. Dit leidt tot niet-diagonale koppelingen (flavour-changing neutral currents) voor de Higgs-bosonen.
• Deeltjes: Na spontane symmetriebreking ontstaan er drie fysieke scalaren:
  • $h$: Het SM-achtige Higgs-boson.
  • $H_F$: Een CP-even Flavon.
  • $A_F$: Een CP-odd Flavon.
• Koppelingen: De LFV-koppelingen voor $h \to \ell_i \ell_j$ worden bepaald door de mengingshoek $\alpha$, de singlet-VEV $v_s$, en de niet-diagonale matrixelementen $\tilde{Z}_{ij}$ (waarbij $i,j$ de leptonfamilies aanduiden).

Analyse-aanpak:

1. Parameterruimte: De auteurs scannen de parameter ruimte onderworpen aan strenge experimentele beperkingen, waaronder:
   • Higgs-signaalsterkte-modifiers ($R_X$) van LHC-data.
   • Bovengrenzen voor zeldzame vervallen: $\mu \to e\gamma$, $\tau \to \mu\gamma$, $\tau \to e\gamma$, $\tau \to 3\mu$, en $\mu \to 3e$.
   • Directe grenzen voor $h \to \tau\mu$, $h \to \tau e$ en $h \to e\mu$.
2. Collider Simulatie:
   • Signalen: Geanalyseerd voor de kanalen $h \to e\mu$ en $h \to \tau\mu$ (met $\tau \to \pi\nu$). Het kanaal $h \to \tau e$ wordt ook onderzocht.
   • Monte Carlo: Gebruik van FeynRules, MadGraph5, Pythia8 en Delphes3 voor het genereren van signalen en achtergronden, met een detectorconfiguratie specifiek voor de HL-LHC.
   • Achtergronden: Belangrijkste achtergronden zijn Drell-Yan productie ($Z/\gamma^* \to \tau\tau$), top-quark paren ($t\bar{t}$) en diboson productie ($WW, WZ, ZZ$).
3. Multivariate Analyse (MVA):
   • Om signaal van achtergrond te scheiden, wordt een Boosted Decision Tree (BDT) gebruikt (geïmplementeerd via XGBoost).
   • Input-variabelen omvatten kinematische grootheden zoals impuls ($p_T$), pseudorapidity ($\eta$), azimuthale hoek, en ontbrekende transversale energie.
   • De optimalisatie is gericht op het maximaliseren van de signaal-significantie ($Z = S/\sqrt{S+B}$).

3. Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

De studie projecteert de ontdekingskans voor drie specifieke kanalen bij een geïntegreerde luminositeit van $L_{int} \approx 1000$ tot $3000$ fb$^{-1}$.

A. Kanaal $h \to e\mu$

• Resultaat: Dit kanaal is zeer veelbelovend. Voor een mengingshoek $\cos\alpha \approx 0.995$, een singlet-VEV $v_s \approx 900$ GeV en een flavour-veranderende koppeling $|\tilde{Z}_{e\mu}| \sim \mathcal{O}(10^{-2})$, kan een significantie van 5$\sigma$ worden bereikt met $L_{int} \gtrsim 1000$ fb$^{-1}$.
• Beperking: De parameter ruimte wordt sterk beperkt door de bovengrens van $\mu \to e\gamma$, maar er blijft een haalbaar venster over voor de HL-LHC.

B. Kanaal $h \to \tau\mu$

• Resultaat: Ook dit kanaal is detecteerbaar. Voor $v_s = 500$ GeV en koppelingen $|\tilde{Z}_{\tau\mu}| \sim \mathcal{O}(10^{-3})$ wordt een significantie van 5$\sigma$ voorspeld bij $L_{int} \gtrsim 1000$ fb$^{-1}$.
• Methode: Het signaal wordt geanalyseerd via het vervallen $\tau^\pm \to \pi^\pm \nu_\tau$, wat een duidelijke kinematische signatuur biedt (een muon en een geladen pion).

C. Kanaal $h \to \tau e$

• Resultaat: Dit kanaal blijft onbereikbaar zelfs bij de maximale luminositeit van 3000 fb$^{-1}$.
• Reden: Binnen het Froggatt-Nielsen-raamwerk wordt een natuurlijke hiërarchie in de koppelingen aangenomen: $\tilde{Z}_{\tau e} < \tilde{Z}_{e\mu} < \tilde{Z}_{\tau\mu}$. Gezien de beperkingen op de andere kanalen, wordt $\tilde{Z}_{\tau e}$ voorspeld als zeer klein ($< \mathcal{O}(10^{-4})$), wat leidt tot een verwaarloosbaar klein productiecross-sectie.

4. Betekenis en Conclusie

• Unieke Rol van de HL-LHC: De studie benadrukt dat de HL-LHC een cruciale rol speelt in het testen van BSM-fysica. Waar lage-energie-experimenten (zoals $\mu \to e\gamma$) zeer strenge grenzen stellen aan de parameter ruimte, biedt de directe zoektocht naar zeldzame Higgs-vervallen een complementair, hoog-energetisch venster op de flavour-dynamica.
• Smoking Gun: De observatie van $h \to e\mu$ of $h \to \tau\mu$ zou een "smoking gun" zijn voor nieuwe fysica en direct bewijs leveren voor een niet-triviale flavour-structuur in het scalair sector.
• Voorspelling: Het feit dat $h \to \tau e$ niet wordt waargenomen, terwijl de andere kanalen wel detecteerbaar zijn, is een specifieke, testbare voorspelling van het Froggatt-Nielsen-mechanisme. Een nulresultaat voor dit kanaal zou de hiërarchie in de koppelingen bevestigen die inherent is aan dit model.

Samenvattend biedt dit werk een robuust theoretisch en experimenteel kader om te bepalen welke LFV-Higgs-vervallen binnen het bereik van de toekomstige HL-LHC liggen, met een duidelijke focus op de haalbaarheid van de $e\mu$ en $\tau\mu$ kanalen.