[論文レビュー] Can we have another light (~ 145 GeV) Higgs boson?

Shaaban Khalil, Stefano Moretti|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、CMS LHC ラン1における145 GeV付近の過剰反応が、$(B-L)$ 保存超対称模型（BLSSM）における第二の軽いヒッグスボソンによって説明可能であると提唱している。このモデルは、$U(1)_{B-L}$ 対称性を導入することでMSSMを拡張し、追加のヒッグスおよび右巻きニュートリノ超対称場を導入することで、約145 GeVの$h'$ボソンを生成する。このボソンは観測された過剰反応と整合的であり、小さな階層問題も解消する。

ABSTRACT

A second light Higgs boson, with mass of approximately 145 GeV, is predicted by non-minimal Supersymmetric models. This new particle can account for an apparent \sim 3 σexcess recorded by the CMS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) during Run 1. We show how this can be explained in a particular realisation of these scenarios, the (B-L) Supersymmetric Model (BLSSM), which also has other captivating features, like offering an explanation for neutrino masses and relieving the small hierarchy problem of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM).

研究の動機と目的

• LHC ラン1におけるCMS実験が観測した145 GeV付近の $h' \to ZZ \to 4\ell$ および $\gamma\gamma$ チャネルにおける約2–3σの過剰反応を、第二の軽いヒッグスボソンによって説明すること。
• 非最小的超対称性、具体的には $(B-L)$ 超対称模型（BLSSM）が、質量が約145 GeVの第二の軽いヒッグスボソンを自然に実現可能かどうかを調査すること。
• MSSMの小さな階層問題を、ヒッグス質量を約130 GeVのMSSM上限を超えるように引き上げる(s)ニュートリノ質量補正項を導入することで解決すること。
• $U(1)_{B-L}$ ゲージ対称性と異常キャンセリングに整合する逆シー・サウスメカニズムを介した軽いニュートリノ質量の生成メカニズムを提供すること。

提案手法

• $U(1)_{B-L}$ 対称性の破れを引き起こす真空期待値を有する、2つの標準模型ノルムのチャイral Higgs超対称場 $\chi_{1,2}$ を導入することで、BLSSMを拡張する。
• 軽いニュートリノ質量を実現するため、3セットの標準模型ノルムのチャイral超対称場 $N_i$、$S_{1i}$、$S_{2i}$（$i=1,2,3$）を導入し、逆シー・サウスメカニズムを実装する。
• ゲージカイネティック項がCP不変中性ヒッグス場の質量行列に混合を引き起こし、$B-L$ ヒッグス状態のうち最も軽い状態 $h'$ が約145 GeVの質量を持つことを可能にする。
• モデルは、$pp \to h, h' \to ZZ \to 4\ell$ および $\gamma\gamma$ の信号強度とインヴァリアント質量分布を計算し、$\sqrt{s} = 8$ TeVおよび19.6 fb$^{-1}$ の統計量におけるCMSデータと比較する。
• $h'$ が $\gamma\gamma$ および $\gamma Z$ に崩壊するカップリングを評価し、観測された過剰反応と整合する可能性のある増幅を示す。
• 背景としての $Z \to 2\ell \gamma^* \to 4\ell$ および連続的 $\gamma\gamma$ プロセスの寄与を検証し、両チャネルで145 GeVに明確な $h'$ ピークが観測可能であることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 145 GeV付近の $h' \to ZZ \to 4\ell$ チャネルにおける観測された約2–3σの過剰反応は、非最小的超対称モデルにおける新しいヒッグスボソンによって説明可能か？
• RQ2 $(B-L)$ 超対称模型（BLSSM）は、約145 GeVの第二の軽いヒッグスボソンを実現可能であり、MSSMの小さな階層問題を解消するための有効な枠組みを提供するか？
• RQ3 BLSSMは、$U(1)_{B-L}$ セクターにおける異常キャンセリングと整合する逆シー・サウスメカニズムを介した軽いニュートリノ質量と、同時に説明可能か？
• RQ4 BLSSMにおける $h' \to \gamma\gamma$ シグナル増幅は、CMSデータにおける137 GeV付近の約2.9σの過剰反応と145 GeV付近の約2σの過剰反応と整合的か？
• RQ5 BLSSMは、$\gamma Z$ や他のチャネルからの既存の制約と矛盾せずに、観測された二光子および4レプトン最終状態のシグナルを説明可能か？

主な発見

• BLSSMは、約145 GeVの第二の軽いヒッグスボソン $h'$ を予測し、CMSが観測した $h' \to ZZ \to 4\ell$ 衰変チャネルにおける過剰反応を説明可能である。
• pp \to h' \to ZZ \to 4\ell のインヴァリアント質量分布には、$m_{4\ell} \sim 145$ GeVに明確な第3ピークが現れ、標準模型背景とは明確に異なる。
• $\gamma\gamma$ チャネルでは、モデルが145 GeV付近に顕著なピークを生成し、CMSが報告した約2σの過剰反応と一致する。
• $h'$ ボソンの光子へのカップリングはBLSSMにおいて増幅され、標準模型ヒッグスと比較して感度が低下しても、$\gamma\gamma$ チャネルで検出可能である。
• モデルは(s)ニュートリノ質量補正項を導入することで、MSSMの上限を超える約170 GeVのヒッグス質量を実現し、観測された125 GeVのヒッグスと整合する。
• BLSSMは、右巻きニュートリノをTeVスケールに置き、$U(1)_{B-L}$ 異常キャンセリングを満たす逆シー・サウスメカニズムを介した軽いニュートリノ質量の自然な枠組みを提供する。