[論文レビュー] 95.4 GeV diphoton excess at ATLAS and CMS

Thomas Biekötter, S. Heinemeyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 58被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、LHC第2期データにおけるATLASおよびCMSが観測した95.4 GeVの二光子崩壊状態の過剰現象を調査し、ヤクバイ型IIおよびIVの複素スカラーダイレットを含む拡張型二重ヒッグス・ダブルレット模型（S2HDM）における軽いヒッグスボソンがその原因であると提案する。このモデルは、γγ最終状態における統合3.1σの過剰現象をうまく説明しており、他のヒッグス系の制約と整合的であり、プランク測定と整合するリlict暗黒物質密度を予測する。

ABSTRACT

The ATLAS Collaboration has recently reported the results of a low-mass Higgs-boson search in the diphoton final state based on the full Run 2 dataset. The results are based on an improved analysis with respect to the previous analysis, which included a part of the Run 2 data, with a substantially better sensitivity. The “model-dependent” search carried out by ATLAS shows an excess of events at a mass of about 95.4 GeV with a local significance of 1.7σ. The results are compatible with a previously reported excess at the same mass, but with somewhat higher significance of 2.9σ, from the CMS collaboration, also based on the full Run 2 dataset. Combining the two results (neglecting possible correlations), we find a signal strength of $μ_{γγ}^{ATLAS+CMS}$=0.24$_{-0.08}^{+0.09}$, corresponding to an excess of 3.1σ. In this work, we investigate the implications of this result, updating a previous analysis based solely on the CMS Run 2 data. We demonstrate that the ATLAS/CMS combined diphoton excess can be interpreted as the lightest Higgs boson in a Two-Higgs doublet model that is extended by a complex singlet (S2HDM) of Yukawa types II and IV, while being in agreement with all other experimental and theoretical constraints.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSが第2期LHCデータで観測した95.4 GeVの二光子過剰現象を、新たなスカラー励起状態として解釈すること。
• この励起状態が、特に複素スカラーダイレットを含む二重ヒッグス・ダブルレット模型（S2HDM）の枠組み内で一貫して記述可能かどうかを評価すること。
• このモデルが、二光子過剰現象、LEPで観測されたb¯b過剰現象、および測定済みの暗黒物質リlict密度を同時に説明できるかどうかを特定すること。
• このモデルが、ヒッグスボソンの結合定数、フラーバー物理学、電弱精度観測量からの既存の制約と整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• ATLASおよびCMSの95.4 GeVにおける二光子信号強度を統合し、組み合わせた信号強度としてµγγ = 0.24+0.09−0.08を算出し、3.1σの過剰現象に対応する。
• ヤクバイ型IIおよびIVに焦点を当て、S2HDMのパラメータ空間全体をスキャンし、二光子およびb¯b過剰現象を説明するベンチマーク点を同定する。
• 125 GeVの標準模型に類似たヒッグス粒子の測定、電弱精度観測量、フラーバー物理学（例：K⁰−K̄⁰混合）および摂動的ユニタリティからの厳密な制約を課す。
• スカラーダイレット成分による暗黒物質リlict密度を評価し、プランク衛星測定と一致するように要件を満たす。
• CMSが95.4 GeVで観測した2.6σの二タウ最終状態過剰現象に対するモデルの妥当性を評価し、このチャンネルにおける信号強度の上限を検討する。
• 観測限界および期待限界からの信号強度µγγを計算するための正規化基準として、95.4 GeVにおけるH→γγの標準模型断面積（126 pb）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLASおよびCMSの95.4 GeVにおける二光子過剰現象を、複素スカラーダイレットを含むS2HDM内での単一の新たなスカラー励起状態として一貫して説明できるか？
• RQ2 ヤクバイ型IIまたはIVのS2HDMが、同時に二光子過剰現象、LEPでのb¯b過剰現象、および観測された暗黒物質リlict密度を説明できるか？
• RQ3 このモデルは、95.4 GeVにおけるCMSの二タウ過剰現象をどの程度まで容認できるか。また、このチャンネルにおける信号強度の上限は何か？
• RQ4 ヒッグスボソンの結合定数およびフラーバー物理学からの制約を満たすS2HDMパラメータ空間内に、ベンチマーク点が存在するか？
• RQ5 将来のLHCおよびe+e−コライダー実験が、結合定数測定および直接探索によって、このS2HDMモデルを標準模型と区別できるか？

主な発見

• ATLASおよびCMSの95.4 GeVにおける二光子過剰現象の統合により、信号強度µγγ = 0.24+0.09−0.08が得られ、局所的有意度は3.1σに対応する。
• 複素スカラーダイレットを含むヤクバイ型IVのS2HDMは、二光子過剰現象およびLEPのb¯b過剰現象を同時に説明でき、プランク測定と整合する暗黒物質リlict密度を予測する。
• ヤクバイ型IIのS2HDMでは、二光子およびb¯b過剰現象が良好に説明されるが、1σレベルでCMSの二タウ過剰現象を説明できない。
• ヤクバイ型IVのS2HDMでは、二タウチャンネルにおける顕著な信号強度が可能であるが、CMSの二タウ過剰現象を完全に説明するには不足している。
• ヒッグスボソンの結合定数、フラーバー物理学、電弱精度観測量からの制約すべてを満たすため、モデルは現在のところ妥当性を保っている。
• 将来の高インテグレーション量LHCおよびe+e−ヒッグス工場は、95.4 GeV状態を直接プローブし、125 GeVヒッグス粒子の結合定数を高精度で測定することで、このモデルをテストできる。