使用CMS实验寻找轻子味道违反现象

这篇论文主要讨论了在大型强子对撞机（LHC）的CMS实验中进行的轻子味道违反（LFV）搜索。研究使用了Run 2期间（2016-2018年）收集的138 fb^-1的质子-质子碰撞数据，中心质心能量为13 TeV。论文的结构如下：首先是实验装置的简要概述，然后分别描述了在τ→3μ衰变、希格斯玻色子衰变和顶夸克产生与衰变中的LFV搜索，最后提供总结。

CMS探测器的核心特征是一个超导螺线管，其内部直径为6米，提供3.8特斯拉的磁场。探测器包括硅像素和条形跟踪器、铅钨酸盐晶体电磁量能器（ECAL）、黄铜和闪烁体强子量能器（HCAL），以及气体电离的μ子探测器。事件选择通过两级触发系统进行，第一层（L1）使用定制硬件处理器，第二层（HLT）由处理器集群组成，优化了事件重建软件以快速处理。

在τ→3μ衰变的搜索中，研究使用了重味（HF）分析和W玻色子分析。HF分析的信号接受度和效率约为0.03%，主要挑战在于L1触发接受度和低动量误识别μ子的背景。W分析几乎没有背景，利用W玻色子衰变的特征（如高动量轻子、大的缺失横动量和轻子隔离）来抑制背景。最终，观察到的τ→3μ的分支比上限为2.9×10^-8，预期上限为2.4×10^-8。

在希格斯玻色子衰变的LFV搜索中，研究目标是H→μτ和H→eτ衰变。标准模型（SM）预测希格斯场通过Yukawa相互作用与费米子耦合，耦合强度与费米子的质量成正比。研究主要针对两种希格斯玻色子产生模式：胶子融合（ggH）和矢量玻色子融合（VBF）。由于Drell-Yan背景的原因，H→μτ搜索中探索了τ_h和τ_e，而H→eτ搜索中使用了τ_h和τ_μ。

论文中使用的复杂术语包括：

1. 轻子味道违反（LFV）：指轻子在衰变过程中改变其味道的现象，这在标准模型中是被禁止的。
2. Yukawa相互作用：一种描述希格斯玻色子与费米子之间耦合的相互作用，耦合强度与费米子的质量成正比。
3. 胶子融合（ggH）和矢量玻色子融合（VBF）：两种主要的希格斯玻色子产生机制，分别通过胶子和矢量玻色子的相互作用产生希格斯玻色子。

论文的贡献在于通过对Run 2数据的分析，进一步限制了LFV衰变的可能性，并为未来的高亮度LHC（HL-LHC）实验提供了基础。HL-LHC计划记录相当于3 ab^-1的质子-质子碰撞数据，约为Run 2数据集的25倍，这将显著提高搜索灵敏度。此外，论文还指出，尽管LHC实验在τ轻子数量上不受限制，但背景数量是主要挑战，因此需要在分析技术上取得突破，以保持竞争力。