Search for lepton flavour violating decays of the Higgs boson to μτ and eτ in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s}=13 $$ TeV

Author:

,Sirunyan A. M.,Tumasyan A.,Adam W.,Ambrogi F.,Asilar E.,Bergauer T.,Brandstetter J.,Brondolin E.,Dragicevic M.,Erö J.,Flechl M.,Friedl M.,Frühwirth R.,Ghete V. M.,Grossmann J.,Hrubec J.,Jeitler M.,König A.,Krammer N.,Krätschmer I.,Liko D.,Madlener T.,Mikulec I.,Pree E.,Rad N.,Rohringer H.,Schieck J.,Schöfbeck R.,Spanring M.,Spitzbart D.,Waltenberger W.,Wittmann J.,Wulz C.-E.,Zarucki M.,Chekhovsky V.,Mossolov V.,Suarez Gonzalez J.,De Wolf E. A.,Di Croce D.,Janssen X.,Lauwers J.,Van De Klundert M.,Van Haevermaet H.,Van Mechelen P.,Van Remortel N.,Abu Zeid S.,Blekman F.,D’Hondt J.,De Bruyn I.,De Clercq J.,Deroover K.,Flouris G.,Lontkovskyi D.,Lowette S.,Moortgat S.,Moreels L.,Python Q.,Skovpen K.,Tavernier S.,Van Doninck W.,Van Mulders P.,Van Parijs I.,Beghin D.,Brun H.,Clerbaux B.,De Lentdecker G.,Delannoy H.,Dorney B.,Fasanella G.,Favart L.,Goldouzian R.,Grebenyuk A.,Karapostoli G.,Lenzi T.,Luetic J.,Maerschalk T.,Marinov A.,Randle-conde A.,Seva T.,Starling E.,Vander Velde C.,Vanlaer P.,Vannerom D.,Yonamine R.,Zenoni F.,Zhang F.,Cimmino A.,Cornelis T.,Dobur D.,Fagot A.,Gul M.,Khvastunov I.,Poyraz D.,Roskas C.,Salva S.,Tytgat M.,Verbeke W.,Zaganidis N.,Bakhshiansohi H.,Bondu O.,Brochet S.,Bruno G.,Caputo C.,Caudron A.,David P.,De Visscher S.,Delaere C.,Delcourt M.,Francois B.,Giammanco A.,Komm M.,Krintiras G.,Lemaitre V.,Magitteri A.,Mertens A.,Musich M.,Piotrzkowski K.,Quertenmont L.,Saggio A.,Vidal Marono M.,Wertz S.,Zobec J.,Beliy N.,Aldá Júnior W. L.,Alves F. L.,Alves G. A.,Brito L.,Correa Martins Junior M.,Hensel C.,Moraes A.,Pol M. E.,Rebello Teles P.,Belchior Batista Das Chagas E.,Carvalho W.,Chinellato J.,Coelho E.,Da Costa E. M.,Da Silveira G. G.,De Jesus Damiao D.,Fonseca De Souza S.,Huertas Guativa L. M.,Malbouisson H.,Melo De Almeida M.,Mora Herrera C.,Mundim L.,Nogima H.,Sanchez Rosas L. J.,Santoro A.,Sznajder A.,Thiel M.,Tonelli Manganote E. J.,Torres Da Silva De Araujo F.,Vilela Pereira A.,Ahuja S.,Bernardes C. A.,Fernandez Perez Tomei T. R.,Gregores E. M.,Mercadante P. G.,Novaes S. F.,Padula Sandra S.,Romero Abad D.,Ruiz Vargas J. C.,Aleksandrov A.,Hadjiiska R.,Iaydjiev P.,Misheva M.,Rodozov M.,Shopova M.,Sultanov G.,Dimitrov A.,Glushkov I.,Litov L.,Pavlov B.,Petkov P.,Fang W.,Gao X.,Yuan L.,Ahmad M.,Bian J. G.,Chen G. M.,Chen H. S.,Chen M.,Chen Y.,Jiang C. H.,Leggat D.,Liao H.,Liu Z.,Romeo F.,Shaheen S. 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M.,Stöver M.,Tholen H.,Troendle D.,Usai E.,Vanelderen L.,Vanhoefer A.,Vormwald B.,Akbiyik M.,Barth C.,Baselga M.,Baur S.,Butz E.,Caspart R.,Chwalek T.,Colombo F.,De Boer W.,Dierlamm A.,Faltermann N.,Freund B.,Friese R.,Giffels M.,Haitz D.,Harrendorf M. A.,Hartmann F.,Heindl S. M.,Husemann U.,Kassel F.,Kudella S.,Mildner H.,Mozer M. U.,Müller Th.,Plagge M.,Quast G.,Rabbertz K.,Schröder M.,Shvetsov I.,Sieber G.,Simonis H. J.,Ulrich R.,Wayand S.,Weber M.,Weiler T.,Williamson S.,Wöhrmann C.,Wolf R.,Anagnostou G.,Daskalakis G.,Geralis T.,Giakoumopoulou V. A.,Kyriakis A.,Loukas D.,Topsis-Giotis I.,Karathanasis G.,Kesisoglou S.,Panagiotou A.,Saoulidou N.,Kousouris K.,Evangelou I.,Foudas C.,Kokkas P.,Mallios S.,Manthos N.,Papadopoulos I.,Paradas E.,Strologas J.,Triantis F. A.,Csanad M.,Filipovic N.,Pasztor G.,Surányi O.,Veres G. I.,Bencze G.,Hajdu C.,Horvath D.,Hunyadi Á.,Sikler F.,Veszpremi V.,Zsigmond A. 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L.,Perrotta A.,Rossi A. M.,Rovelli T.,Siroli G. P.,Tosi N.,Albergo S.,Costa S.,Di Mattia A.,Giordano F.,Potenza R.,Tricomi A.,Tuve C.,Barbagli G.,Chatterjee K.,Ciulli V.,Civinini C.,D’Alessandro R.,Focardi E.,Lenzi P.,Meschini M.,Paoletti S.,Russo L.,Sguazzoni G.,Strom D.,Viliani L.,Benussi L.,Bianco S.,Fabbri F.,Piccolo D.,Primavera F.,Calvelli V.,Ferro F.,Robutti E.,Tosi S.,Benaglia A.,Beschi A.,Brianza L.,Brivio F.,Ciriolo V.,Dinardo M. E.,Fiorendi S.,Gennai S.,Ghezzi A.,Govoni P.,Malberti M.,Malvezzi S.,Manzoni R. A.,Menasce D.,Moroni L.,Paganoni M.,Pauwels K.,Pedrini D.,Pigazzini S.,Ragazzi S.,Redaelli N.,Tabarelli de Fatis T.,Buontempo S.,Cavallo N.,Di Guida S.,Fabozzi F.,Fienga F.,Iorio A. O. M.,Khan W. A.,Lista L.,Meola S.,Paolucci P.,Sciacca C.,Thyssen F.,Azzi P.,Bacchetta N.,Benato L.,Bisello D.,Boletti A.,Carlin R.,Checchia P.,Dall’Osso M.,De Castro Manzano P.,Dorigo T.,Gasparini F.,Gasparini U.,Gozzelino A.,Lacaprara S.,Lujan P.,Margoni M.,Meneguzzo A. T.,Pozzobon N.,Ronchese P.,Rossin R.,Simonetto F.,Torassa E.,Ventura S.,Zanetti M.,Zotto P.,Zumerle G.,Braghieri A.,Magnani A.,Montagna P.,Ratti S. P.,Re V.,Ressegotti M.,Riccardi C.,Salvini P.,Vai I.,Vitulo P.,Alunni Solestizi L.,Biasini M.,Bilei G. M.,Cecchi C.,Ciangottini D.,Fanò L.,Lariccia P.,Leonardi R.,Manoni E.,Mantovani G.,Mariani V.,Menichelli M.,Rossi A.,Santocchia A.,Spiga D.,Androsov K.,Azzurri P.,Bagliesi G.,Boccali T.,Borrello L.,Castaldi R.,Ciocci M. A.,Dell’Orso R.,Fedi G.,Giannini L.,Giassi A.,Grippo M. T.,Ligabue F.,Lomtadze T.,Manca E.,Mandorli G.,Martini L.,Messineo A.,Palla F.,Rizzi A.,Savoy-Navarro A.,Spagnolo P.,Tenchini R.,Tonelli G.,Venturi A.,Verdini P. 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B.,Radburn-Smith B. C.,Seo S. h.,Yang U. K.,Yoo H. D.,Yu G. B.,Choi M.,Kim H.,Kim J. H.,Lee J. S. H.,Park I. C.,Choi Y.,Hwang C.,Lee J.,Yu I.,Dudenas V.,Juodagalvis A.,Vaitkus J.,Ahmed I.,Ibrahim Z. A.,Md Ali M. A. B.,Mohamad Idris F.,Wan Abdullah W. A. T.,Yusli M. N.,Zolkapli Z.,Reyes-Almanza R,Ramirez-Sanchez G.,Duran-Osuna M. C.,Castilla-Valdez H.,De La Cruz-Burelo E.,Heredia-De La Cruz I.,Rabadan-Trejo R. I.,Lopez-Fernandez R.,Mejia Guisao J.,Sanchez-Hernandez A.,Carrillo Moreno S.,Oropeza Barrera C.,Vazquez Valencia F.,Pedraza I.,Salazar Ibarguen H. A.,Uribe Estrada C.,Morelos Pineda A.,Krofcheck D.,Butler P. H.,Ahmad A.,Ahmad M.,Hassan Q.,Hoorani H. R.,Saddique A.,Shah M. A.,Shoaib M.,Waqas M.,Bialkowska H.,Bluj M.,Boimska B.,Frueboes T.,Górski M.,Kazana M.,Nawrocki K.,Szleper M.,Zalewski P.,Bunkowski K.,Byszuk A.,Doroba K.,Kalinowski A.,Konecki M.,Krolikowski J.,Misiura M.,Olszewski M.,Pyskir A.,Walczak M.,Bargassa P.,Beirão Da Cruz E Silva C.,Di Francesco A.,Faccioli P.,Galinhas B.,Gallinaro M.,Hollar J.,Leonardo N.,Lloret Iglesias L.,Nemallapudi M. 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H.,Barney D.,Bendavid J.,Bianco M.,Bloch P.,Bocci A.,Botta C.,Camporesi T.,Castello R.,Cepeda M.,Cerminara G.,Chapon E.,Chen Y.,d’Enterria D.,Dabrowski A.,Daponte V.,David A.,De Gruttola M.,De Roeck A.,Deelen N.,Dobson M.,du Pree T.,Dünser M.,Dupont N.,Elliott-Peisert A.,Everaerts P.,Fallavollita F.,Franzoni G.,Fulcher J.,Funk W.,Gigi D.,Gilbert A.,Gill K.,Glege F.,Gulhan D.,Harris P.,Hegeman J.,Innocente V.,Jafari A.,Janot P.,Karacheban O.,Kieseler J.,Knünz V.,Kornmayer A.,Kortelainen M. J.,Krammer M.,Lange C.,Lecoq P.,Lourenço C.,Lucchini M. T.,Malgeri L.,Mannelli M.,Martelli A.,Meijers F.,Merlin J. 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W.,Vernieri C.,Verzocchi M.,Vidal R.,Wang M.,Weber H. A.,Whitbeck A.,Acosta D.,Avery P.,Bortignon P.,Bourilkov D.,Brinkerhoff A.,Carnes A.,Carver M.,Curry D.,Field R. D.,Furic I. K.,Gleyzer S. V.,Joshi B. M.,Konigsberg J.,Korytov A.,Kotov K.,Ma P.,Matchev K.,Mei H.,Mitselmakher G.,Rank D.,Shi K.,Sperka D.,Terentyev N.,Thomas L.,Wang J.,Wang S.,Yelton J.,Joshi Y. R.,Linn S.,Markowitz P.,Rodriguez J. L.,Ackert A.,Adams T.,Askew A.,Hagopian S.,Hagopian V.,Johnson K. F.,Kolberg T.,Martinez G.,Perry T.,Prosper H.,Saha A.,Santra A.,Sharma V.,Yohay R.,Baarmand M. M.,Bhopatkar V.,Colafranceschi S.,Hohlmann M.,Noonan D.,Roy T.,Yumiceva F.,Adams M. R.,Apanasevich L.,Berry D.,Betts R. R.,Cavanaugh R.,Chen X.,Evdokimov O.,Gerber C. E.,Hangal D. A.,Hofman D. J.,Jung K.,Kamin J.,Sandoval Gonzalez I. D.,Tonjes M. B.,Trauger H.,Varelas N.,Wang H.,Wu Z.,Zhang J.,Bilki B.,Clarida W.,Dilsiz K.,Durgut S.,Gandrajula R. P.,Haytmyradov M.,Khristenko V.,Merlo J.-P.,Mermerkaya H.,Mestvirishvili A.,Moeller A.,Nachtman J.,Ogul H.,Onel Y.,Ozok F.,Penzo A.,Snyder C.,Tiras E.,Wetzel J.,Yi K.,Blumenfeld B.,Cocoros A.,Eminizer N.,Fehling D.,Feng L.,Gritsan A. V.,Maksimovic P.,Roskes J.,Sarica U.,Swartz M.,Xiao M.,You C.,Al-bataineh A.,Baringer P.,Bean A.,Boren S.,Bowen J.,Castle J.,Khalil S.,Kropivnitskaya A.,Majumder D.,Mcbrayer W.,Murray M.,Royon C.,Sanders S.,Schmitz E.,Tapia Takaki J. D.,Wang Q.,Ivanov A.,Kaadze K.,Maravin Y.,Mohammadi A.,Saini L. K.,Skhirtladze N.,Toda S.,Rebassoo F.,Wright D.,Anelli C.,Baden A.,Baron O.,Belloni A.,Calvert B.,Eno S. C.,Feng Y.,Ferraioli C.,Hadley N. J.,Jabeen S.,Jeng G. Y.,Kellogg R. G.,Kunkle J.,Mignerey A. C.,Ricci-Tam F.,Shin Y. H.,Skuja A.,Tonwar S. C.,Abercrombie D.,Allen B.,Azzolini V.,Barbieri R.,Baty A.,Bi R.,Brandt S.,Busza W.,Cali I. A.,D’Alfonso M.,Demiragli Z.,Gomez Ceballos G.,Goncharov M.,Hsu D.,Hu M.,Iiyama Y.,Innocenti G. M.,Klute M.,Kovalskyi D.,Lai Y. S.,Lee Y.-J.,Levin A.,Luckey P. D.,Maier B.,Marini A. C.,Mcginn C.,Mironov C.,Narayanan S.,Niu X.,Paus C.,Roland C.,Roland G.,Salfeld-Nebgen J.,Stephans G. S. F.,Tatar K.,Velicanu D.,Wang J.,Wang T. W.,Wyslouch B.,Benvenuti A. C.,Chatterjee R. M.,Evans A.,Hansen P.,Hiltbrand J.,Kalafut S.,Kubota Y.,Lesko Z.,Mans J.,Nourbakhsh S.,Ruckstuhl N.,Rusack R.,Turkewitz J.,Wadud M. A.,Acosta J. G.,Oliveros S.,Avdeeva E.,Bloom K.,Claes D. R.,Fangmeier C.,Gonzalez Suarez R.,Kamalieddin R.,Kravchenko I.,Monroy J.,Siado J. E.,Snow G. R.,Stieger B.,Dolen J.,Godshalk A.,Harrington C.,Iashvili I.,Nguyen D.,Parker A.,Rappoccio S.,Roozbahani B.,Alverson G.,Barberis E.,Hortiangtham A.,Massironi A.,Morse D. M.,Orimoto T.,Teixeira De Lima R.,Trocino D.,Wood D.,Bhattacharya S.,Charaf O.,Hahn K. A.,Mucia N.,Odell N.,Pollack B.,Schmitt M. H.,Sung K.,Trovato M.,Velasco M.,Dev N.,Hildreth M.,Hurtado Anampa K.,Jessop C.,Karmgard D. J.,Kellams N.,Lannon K.,Loukas N.,Marinelli N.,Meng F.,Mueller C.,Musienko Y.,Planer M.,Reinsvold A.,Ruchti R.,Smith G.,Taroni S.,Wayne M.,Wolf M.,Woodard A.,Alimena J.,Antonelli L.,Bylsma B.,Durkin L. S.,Flowers S.,Francis B.,Hart A.,Hill C.,Ji W.,Liu B.,Luo W.,Puigh D.,Winer B. L.,Wulsin H. W.,Cooperstein S.,Driga O.,Elmer P.,Hardenbrook J.,Hebda P.,Higginbotham S.,Lange D.,Luo J.,Marlow D.,Mei K.,Ojalvo I.,Olsen J.,Palmer C.,Piroué P.,Stickland D.,Tully C.,Malik S.,Norberg S.,Barker A.,Barnes V. E.,Das S.,Folgueras S.,Gutay L.,Jha M. K.,Jones M.,Jung A. W.,Khatiwada A.,Miller D. H.,Neumeister N.,Peng C. C.,Qiu H.,Schulte J. F.,Sun J.,Wang F.,Xie W.,Cheng T.,Parashar N.,Stupak J.,Adair A.,Chen Z.,Ecklund K. M.,Freed S.,Geurts F. J. M.,Guilbaud M.,Kilpatrick M.,Li W.,Michlin B.,Northup M.,Padley B. P.,Roberts J.,Rorie J.,Shi W.,Tu Z.,Zabel J.,Zhang A.,Bodek A.,de Barbaro P.,Demina R.,Duh Y. t.,Ferbel T.,Galanti M.,Garcia-Bellido A.,Han J.,Hindrichs O.,Khukhunaishvili A.,Lo K. H.,Tan P.,Verzetti M.,Ciesielski R.,Goulianos K.,Mesropian C.,Agapitos A.,Chou J. P.,Gershtein Y.,Gómez Espinosa T. A.,Halkiadakis E.,Heindl M.,Hughes E.,Kaplan S.,Kunnawalkam Elayavalli R.,Kyriacou S.,Lath A.,Montalvo R.,Nash K.,Osherson M.,Saka H.,Salur S.,Schnetzer S.,Sheffield D.,Somalwar S.,Stone R.,Thomas S.,Thomassen P.,Walker M.,Delannoy A. G.,Foerster M.,Heideman J.,Riley G.,Rose K.,Spanier S.,Thapa K.,Bouhali O.,Castaneda Hernandez A.,Celik A.,Dalchenko M.,De Mattia M.,Delgado A.,Dildick S.,Eusebi R.,Gilmore J.,Huang T.,Kamon T.,Mueller R.,Pakhotin Y.,Patel R.,Perloff A.,Perniè L.,Rathjens D.,Safonov A.,Tatarinov A.,Ulmer K. A.,Akchurin N.,Damgov J.,De Guio F.,Dudero P. R.,Faulkner J.,Gurpinar E.,Kunori S.,Lamichhane K.,Lee S. W.,Libeiro T.,Mengke T.,Muthumuni S.,Peltola T.,Undleeb S.,Volobouev I.,Wang Z.,Greene S.,Gurrola A.,Janjam R.,Johns W.,Maguire C.,Melo A.,Ni H.,Padeken K.,Sheldon P.,Tuo S.,Velkovska J.,Xu Q.,Arenton M. 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Abstract

Abstract A search for lepton flavour violating decays of the Higgs boson in the μτ and eτ decay modes is presented. The search is based on a data set corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb−1 of proton-proton collisions collected with the CMS detector in 2016, at a centre-of-mass energy of 13 TeV. No significant excess over the standard model expectation is observed. The observed (expected) upper limits on the lepton flavour violating branching fractions of the Higgs boson are ℬ(H → μτ) < 0.25% (0.25%) and ℬ(H → eτ) < 0.61% (0.37%), at 95% confidence level. These results are used to derive upper limits on the off-diagonal μτ and eτ Yukawa couplings $$ \sqrt{{\left|{Y}_{\mu \tau}\right|}^2+{\left|{Y}_{\tau \mu}\right|}^2}<1.43\times {10}^{-3} $$ Y μ τ 2 + Y τ μ 2 < 1.43 × 10 3 and $$ \sqrt{{\left|{Y}_{\mathrm{e}\tau}\right|}^2+{\left|{Y}_{\tau \mathrm{e}}\right|}^2}<2.26\times {10}^{-3} $$ Y e τ 2 + Y τ e 2 < 2.26 × 10 3 at 95% confidence level. The limits on the lepton flavour violating branching fractions of the Higgs boson and on the associated Yukawa couplings are the most stringent to date.

Publisher

Springer Science and Business Media LLC

Subject

Nuclear and High Energy Physics

Reference93 articles.

1. ATLAS collaboration, Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, Phys. Lett. B 716 (2012) 1 [arXiv:1207.7214] [INSPIRE].

2. CMS collaboration, Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Phys. Lett. B 716 (2012) 30 [arXiv:1207.7235] [INSPIRE].

3. CMS collaboration, Observation of a new boson with mass near 125 GeV in pp collisions at $$ \sqrt{s}=7 $$ and 8 TeV, JHEP 06 (2013) 081 [arXiv:1303.4571] [INSPIRE].

4. ATLAS and CMS collaborations, Measurements of the Higgs boson production and decay rates and constraints on its couplings from a combined ATLAS and CMS analysis of the LHC pp collision data at $$ \sqrt{s}=7 $$ and 8 TeV, JHEP 08 (2016) 045 [arXiv:1606.02266] [INSPIRE].

5. J.L. Diaz-Cruz and J.J. Toscano, Lepton flavor violating decays of Higgs bosons beyond the standard model, Phys. Rev. D 62 (2000) 116005 [hep-ph/9910233] [INSPIRE].

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