[論文レビュー] A 95 GeV Higgs Boson in the Georgi-Machacek Model

Ting-Kuo Chen, Cheng-Wei Chiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 99被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、CMSとATLASが二光子崩壊で観測した95 GeVのヒッグスボソンが、ヒッグス三重項を含む renormalizable な標準模型の拡張であるジョルジ＝マハチェク（GM）模型内ですべて説明可能であると提唱している。この模型は、二重に電荷を帯びたヒッグス粒子のループ効果により、自然に高い二光子崩壊断面積を持つ軽いヒッグス粒子を実現し、同時に木レベルのρパラメータを保存する。観測された95 GeVの二光子過剰（信号強度μγγ ≈ 0.24）はGM枠組み内でよく説明され、予測される二重に電荷を帯びたヒッグス粒子は100–200 GeVの範囲に位置し、将来のLHC探索の動機付けとなる。

ABSTRACT

CMS and ATLAS have reported small excesses in the search for low-mass Higgs bosons in the di-photon decay channel at exactly the same mass, $95.4~$GeV. These searches rely on improved analysis techniques, enhancing in particular the discrimination against the $Z o e^+e^-$ background. In models beyond the Standard Model (SM) that extend the Higgs sector with triplets, doubly-charged Higgs bosons are predicted which can contribute substantially to the di-photon decay rate of a light Higgs boson. The Georgi-Machacek (GM) Model is of particular interest in this context, since despite containing Higgs triplets it preserves the electroweak $ρ$-parameter to be$~$1 at the tree level. We show that within the GM model, a Higgs boson with a mass of $\sim 95~$GeV with a di-photon decay rate as observed by CMS and ATLAS can be well described. We discuss the di-photon excess in conjunction with an excess in the $b \bar b$ final state observed at LEP and an excess observed by CMS in the di-tau final state, which have been found at comparable masses with local significances of about $2σ$ and $3σ$, respectively. The presence of a Higgs boson at about $95~$GeV within the GM model would imply good prospects of the searches for additional light Higgs bosons. In particular, the observed excess in the di-photon channel would be expected to be correlated in the GM model with a light doubly-charged Higgs boson in the mass range between $100~$GeV and $200~$GeV, which motivates dedicated searches in upcoming LHC Runs.

研究の動機と目的

• CMSとATLASのデータにおける観測された95 GeVの二光子共鳴過剰を、renormalizable なBSM模型内で説明すること。
• ジョルジ＝マハチェク模型が、95 GeVの二光子過剰、LEPのb¯b過剰、およびCMSの二タウ過剰を同時に説明できるかを調査すること。
• GM模型における95 GeVの軽いヒッグス粒子の現象的妥当性を検討し、特にρパラメータとヒッグス系の構造に与える影響を明らかにすること。
• 特に100–200 GeVの範囲で予測される二重に電荷を帯びたヒッグス粒子を含む、新たな検証可能なシグネチャを同定すること。

提案手法

• 分析では、実SU(2)三重項ヒッグス場を含む、標準模型のrenormalizable な拡張であるジョルジ＝マハチェク模型が用いられ、木レベルのρパラメータが1に保たれる。
• 95 GeVのヒッグス粒子の二光子崩壊断面積は、模型が予測する二重に電荷を帯びたヒッグス粒子のループ寄与によって計算される。
• 既存のLHCおよびLEPデータにより模型が制約され、γγ、b¯b、ττ最終状態における信号強度、およびトップクォークおよびZボソンと関連するヒッグス生成からの制限が含まれる。
• 観測された信号強度（μγγ ≈ 0.24（ATLAS+CMSの統合））、μbb ≈ 0.117（LEP）およびμττ ≈ 1.2（CMS）との整合性を評価するために、グローバルフィットが実施される。
• トップ関連およびZ関連ヒッグス生成からの実験的制限と、LEPにおけるe+e− → Zϕ → τ+τ−からの制限とを比較して、模型の予測を検証する。
• 観測過剰を再現し、すべての実験的制約を満たすパラメータ空間の有効領域を特定するために、GM模型のパラメータ空間における数値スキャンが実施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジョルジ＝マハチェク模型は、CMSとATLASの両方で観測された95 GeVの二光子共鳴過剰を、単一のスカラー状態で説明可能か？
• RQ2 この模型は、同程度の質量で、LEPのb¯b過剰とCMSの二タウ過剰を同時に説明できるか？
• RQ3 観測された二光子断面積を生成するための、GM模型における二重に電荷を帯びたヒッグス粒子の予測質量範囲は何か？
• RQ4 GM模型におけるヒッグス三重項の存在がρパラメータに与える影響は何か？また、木レベルの値1は保存されるか？
• RQ5 すべての現在の実験的制約を満たし、かつ3つの過剰を説明できるGM模型の有効なパラメータ領域は存在するか？

主な発見

• ジョルジ＝マハチェク模型は、ATLASとCMSの統合データと整合する信号強度μγγ ≈ 0.24で、観測された95 GeVの二光子過剰を成功裏に説明している。
• 模型は、100–200 GeVの範囲にある二重に電荷を帯びたヒッグス粒子を予測しており、これは二光子崩壊断面積と相関しており、将来のLHC探索の主要なシグネチャを提供する。
• 模型は、LEPの2.3σのb¯b最終状態における過剰（μbb ≈ 0.117）と、CMSの2.6σのτ+τ−最終状態における過剰（μττ ≈ 1.2）を、95 GeVで同時に説明している。
• GM模型では、ヒッグス三重項の存在にもかかわらず、木レベルのρパラメータが1のまま維持され、電弱精度テストと整合的である。
• トップクォークおよびZボソンと関連するヒッグス生成からの現在の制約のもとで、模型は妥当であるが、一部の最近のCMSの制限と矛盾する傾向がある。
• GM模型における95 GeVのヒッグス粒子の存在は、特に二重に電荷を帯びたヒッグス粒子を含む、追加の軽いヒッグス状態の発見に非常に有望な見通しを示している。