非全純軟超對稱破壞情境下的輕子風味破壞：實驗限制和超出預期

核心概念

非全純軟超對稱破壞模型（NHSSM）可以預測輕子風味破壞希格斯衰變 (LFVHD) 的分支比，該分支比可能比僅基於全純軟超對稱破壞項的預測大得多，並且可以潛在地解釋 ATLAS 觀察到的 h → eτ 和 h → µτ 衰變的超出預期。

摘要

書目資訊

M. Rehman and S. Heinemeyer. (2024). 非全純軟超對稱破壞情境下的輕子風味破壞：實驗限制和超出預期。 arXiv:2411.00479v1 [hep-ph].

研究目標

本研究旨在探討非全純超對稱標準模型 (NHSSM) 中輕子風味破壞 (LFV) 的現象，並探討其對帶電輕子風味破壞 (cLFV) 衰變和輕子風味破壞希格斯衰變 (LFVHD) 的影響。

方法

• 作者利用基於 Mathematica 套件 SARAH 開發的 SPheno 源代碼進行數值計算。
• 他們採用 SARAH Scan and Plot (SSP) 套件來輸入參數並應用約束條件，包括來自 cLFV 衰變的約束條件和電荷和顏色破壞全局最小值 (CCB) 約束條件。
• 分析基於三個基準情境：M125h、M125h(τ̃) 和 M125h(χ̃)，這些情境最初是在文獻 [52] 中提出的，涵蓋了 MSSM 希格斯玻色子現象學的廣泛範圍。
• 對於每個情境，作者研究了 MA 和 tan β 的四種不同組合，並考慮了最新的實驗限制。

主要發現

• NHSSM 中的非全純 (NH) 貢獻可以顯著影響 cLFV 和 LFVHD 衰變。
• NH 對 LFVHD 的貢獻可能比全純對應項大得多。
• NH 情境可以預測 BR(h → eτ) 和 BR(h → µτ) 的值，這些值可以達到這些衰變過程的當前實驗極限，並且可以潛在地解釋 ATLAS 觀察到的超出預期，同時與其他實驗約束條件一致。

主要結論

• 如果最終通過實驗觀察到這些衰變，它們可能會成為 NH 情境的獨特特徵，並確定一些 NH 參數。
• 相反，LFVHD 的限制可以限制 NHSSM 中 NH SSB 項的允許參數空間。

意義

這項研究對粒子物理學領域具有重要意義，因為它提供了一種潛在的方法來檢驗 NHSSM 並限制其參數空間。它還強調了 LFV 研究在探索超出標準模型的物理學方面的重要性。

局限性和未來研究

• 本研究基於特定的基準情境和參數範圍。
• 需要進一步研究以充分探索 NHSSM 中 LFV 的全部現象學含義。
• 未來在 cLFV 和 LFVHD 衰變方面的實驗將對模型施加更嚴格的約束，並可能揭示新的物理學線索。

統計資料

ATLAS 報告在搜尋 h → eτ 和 h → µτ 時出現超過 2 σ 的超出預期。
他們對 BR(h → eτ) ≈ BR(h → µτ) ≈ 0.1% 的最佳擬合值與 CMS 限制（在 95% CL 時，BR(h → eτ) < 0.22% 且 BR(h → µτ) < 0.15%）並不衝突。
µ → eγ 的分支比上限為 4.2 × 10−13。
τ → eγ 的分支比上限為 3.3 × 10−8。
τ → µγ 的分支比上限為 4.4 × 10−8。
h → eτ 的分支比上限為 2.2 × 10−3。
h → µτ 的分支比上限為 1.5 × 10−3。

引述

"在允許的參數空間內，與全純對應項相比，NH 對 LFVHD 的貢獻可能會大得多。"
"有趣的是，ATLAS 最近報告在搜尋 h → eτ 和 h → µτ 時出現超過 2 σ 的超出預期。它們對 BR(h → eτ) ≈ BR(h → µτ) ≈ 0.1% 的最佳擬合值與相應的 CMS 限制並不衝突。"
"我們證明，對於參數空間的某些部分，NH 情境中 BR(h → eτ) 和 BR(h → µτ) 的預測值達到了這些衰變過程的當前實驗極限，並且可以潛在地解釋 ATLAS 觀察到的超出預期，同時與其他實驗約束條件一致。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Lepton Flavor Violation in Nonholomorphic Soft SUSY-Breaking Scenarios: Experimental Limits and Excesses

by Muhammad Reh... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00479.pdf

深入探究

如果未來實驗證實了 ATLAS 觀察到的 h → eτ 和 h → µτ 衰變的超出預期，那麼這將對我們理解輕子風味的本質產生什麼影響？

如果 ATLAS 觀察到的 h → eτ 和 h → µτ 衰變超出預期被證實，這將是一個突破性的發現，具有以下深遠影響：

明確證實輕子風味破壞： 標準模型預測這些衰變極其罕見，因此任何可觀測到的分支比都將明確證實輕子風味破壞的存在，並表明輕子並不嚴格遵守風味守恆。
揭示超越標準模型的新物理： 這將為超越標準模型的新物理提供強有力的證據，因為標準模型本身無法解釋這種大小的輕子風味破壞。
指向特定的新物理模型： 超出預期的 h → eτ 和 h → µτ 衰變率可以提供有關新物理模型的線索。例如，如文章所述，非全純軟超對稱破壞模型可以容納這種大小的衰變率。其他模型，如具有特定類型輕子風味破壞耦合的模型，也可能是可能的解釋。
引導未來實驗和理論研究： 這一發現將激勵對輕子風味破壞進行更深入的實驗和理論研究。在實驗方面，將需要更精確地測量 h → eτ 和 h → µτ 衰變的分支比，以及其他輕子風味破壞過程，如 µ → eγ。在理論方面，需要對新物理模型進行更詳細的研究，以確定它們是否可以解釋觀測結果並做出可檢驗的預測。
總之，證實 h → eτ 和 h → µτ 衰變的超出預期將是粒子物理學的重大發現，它將為我們理解輕子風味的本質打開一扇新的窗口，並引導我們走向超越標準模型的新物理。

是否存在其他超出標準模型的物理模型可以解釋 ATLAS 觀察到的超出預期，而無需訴諸非全純軟超對稱破壞？

是的，除了非全純軟超對稱破壞 (NHSSM) 之外，還有其他超出標準模型的物理模型可以解釋 ATLAS 觀察到的 h → eτ 和 h → µτ 衰變超出預期。以下是一些例子：

具有擴展希格斯扇形的模型： 例如，Two-Higgs-Doublet Model (2HDM) 或其他多重希格斯模型，可以引入新的希格斯玻色子，這些玻色子與輕子的耦合方式不同於標準模型希格斯玻色子。這些新的耦合可以導致輕子風味破壞，並可能解釋觀測到的超出預期。
具有向量類夸克的模型： 向量類夸克是與標準模型夸克具有相同量子數的新費米子。它們可以與標準模型輕子和希格斯玻色子耦合，從而導致輕子風味破壞。
具有輕子夸克的模型： 輕子夸克是同時帶有輕子和夸克量子數的新粒子。它們可以通過與標準模型粒子的混合來介導輕子風味破壞過程。
額外維度模型： 在這些模型中，標準模型粒子被限制在一個四維膜上，而引力可以在額外維度中傳播。額外維度可以引入新的粒子，這些粒子可以與標準模型粒子相互作用並導致輕子風味破壞。
重要的是要注意，這些模型中的許多模型也預測了其他可檢驗的信號，這些信號可以在 LHC 或其他實驗中尋找。因此，未來的實驗對於區分這些不同的可能性並確定哪個模型（如果有）正確描述自然界至關重要。

NHSSM 的研究如何促進我們對宇宙中物質-反物質不對稱性的理解？

雖然 NHSSM 主要關注解決標準模型中的一些問題，例如層次問題和輕子風味破壞，但它與宇宙中物質-反物質不對稱性的聯繫是間接的，並且主要通過其對電弱重子生成效應的潛在影響來實現。
以下是 NHSSM 如何與物質-反物質不對稱性相關聯：

電弱重子生成： 電弱重子生成是一種理論機制，它試圖解釋早期宇宙中物質和反物質之間的不對稱性。這個過程需要滿足 Sakharov 的三個條件：重子數破壞、C 和 CP 對稱性破壞，以及偏離熱平衡。
NHSSM 對電弱重子生成的影響： NHSSM 可以通過其對 CP 破壞來源的影響來影響電弱重子生成。NHSSM 中的非全純軟超對稱破壞項可以引入新的 CP 破壞相位，這些相位可能足以產生觀測到的物質-反物質不對稱性。
限制參數空間： 對電弱重子生成的實驗約束，例如對宇宙重子不對稱性的測量，可以用於限制 NHSSM 的參數空間。如果 NHSSM 確實是物質-反物質不對稱性的主要來源，那麼它必須能夠產生與觀測結果一致的重子不對稱性。
然而，重要的是要注意，NHSSM 對電弱重子生成的影響取決於其參數的具體值。在某些情況下，NHSSM 可能會增強電弱重子生成，而在其他情況下，它可能會抑制電弱重子生成。因此，需要對 NHSSM 進行更詳細的研究，以確定它是否可以解釋觀測到的物質-反物質不對稱性。
總之，雖然 NHSSM 並非直接旨在解釋物質-反物質不對稱性，但它可以通過其對電弱重子生成的潛在影響來間接地促進我們對這一現象的理解。對 NHSSM 和電弱重子生成的進一步研究對於確定該模型是否可以解釋宇宙中物質-反物質不對稱性的起源至關重要。