[論文レビュー] Explanation of the Hints for a 95 GeV Higgs Boson within a 2-Higgs Doublet Model

A. Belyaev, Rachid Benbrik+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、CMSとATLASがループ2データで観測した95 GeVのヒッグスボソン（二光子および二タウ終状態）に加え、長年にわたり存在するLEPの$b\bar{b}$過剰現象を、2HDM-III（タイプ-IIIの2ヒッグスダブルレットモデル）内で同時に説明できると提唱している。このモデルにおいて、最も軽いCP偶性ヒッグス粒子が、現在の実験的および理論的制約を満たしつつ、3つの過剰現象をすべて説明可能であり、ハイライト・リコネストラクション加速器（HL-LHC）でテスト可能な18%のトップクォークヤクバイ係数の増幅を予測している。

ABSTRACT

We suggest an explanation for and explore the consequences of the excess around 95 GeV in the di-photon and di-tau invariant mass distributions recently reported by the CMS collaboration at the Large Hadron Collider (LHC), together with the discrepancy that has long been observed at the Large Electron-Positron (LEP) collider in the $b\bar b$ invariant mass. Interestingly, the most recent findings announced by the ATLAS collaboration do not contradict, or even support, these intriguing observations. Their search in the di-photon final state similarly reveals an excess of events within the same mass range, albeit with a bit lower significance, thereby corroborating and somewhat reinforcing the observations made by CMS. We demonstrate that the lightest CP-even Higgs boson in the general 2-Higgs Doublet Model (2HDM) Type-III can explain simultaneously the observed excesses at approximately 1.3 $σ$ C.L. while satisfying up-to-date theoretical and experimental constraints. Moreover, the 2HDM Type-III predicts an excess in the $pp o t\bar t H_{ m SM}$ production channel of the 125 GeV Higgs boson, $H_{ m SM}$. This effect is caused by a up to 12\% enhancement of the $H_{ m SM}tt$ Yukawa coupling in comparison to that predicted by the Standard Model. Such an effect can be tested at the High Luminosity LHC (HL-LHC), which can either discover or exclude the scenario we suggest. This unique characteristic of the 2HDM Type-III makes this scenario with the 95 GeV resonance very attractive for further theoretical and experimental investigations at the (HL-)LHC and future colliders.

研究の動機と目的

• CMSとATLASがRun 2データで観測した持続的な95 GeVの二光子および二タウ過剰現象を説明すること。
• 2006年にLEPが報告した長年の$b\bar{b}$インvariant質量過剰現象と、それらの過剰現象を一致させること。
• 2HDMタイプ-IIIフレームワークが、3つの異常を同時に説明可能であり、既存の制約に違反しないことを示すこと。
• モデル内で特徴的でテスト可能な予測（トップクォークヤクバイ係数に最大18%の増幅）を特定すること。
• 将来のHL-LHCおよびそれ以上の実験的検証に向けた有効なパラメータ空間を提供すること。

提案手法

• 著者らは、両方のヒッグスダブルレットがすべての標準模型フェルミオンに結合する一般化された2HDMタイプ-IIIを採用し、非対角ヤクバイ結合を許容するために$Z_2$対称性を避ける。
• 125 GeVヒッグス粒子の信号強度に制約を課した上で、CMSおよびATLASの二光子、二タウ、$b\bar{b}$信号強度のグローバルフィットを実施し、$\chi^2_{\gamma\gamma + \tau\tau + b\bar{b}}$を最小化する。
• LEPの$e^+e^- \to Zh_{95} \to Z\tau\tau$断面積制限と一致するかを検証し、過去の実験と整合性があるかを確認する。
• 最も軽いCP偶性ヒッグス粒子の崩壊分支比、全幅、および信号強度（$\mu_{\gamma\gamma}, \mu_{\tau\tau}, \mu_{b\bar{b}}$）を計算する。
• トップクォークヤクバイ係数は、2つのベンチマーク点でそれぞれ$c_{h_{95}t\bar{t}} = 0.511$および$0.541$となり、標準模型（SM）値に対して12〜18%の増幅が予測される。
• すべての3つの過剰現象が2$\sigma$以上で同時に説明可能なパラメータ空間をスキャンする。

Figure 1: The colour map of $\chi^{2}_{\gamma\gamma+\tau\tau+b\bar{b}}$ in the the ( $\mu_{\tau\tau}$ - $\mu_{\gamma\gamma}$ )(left), ( $\mu_{bb}$ - $\mu_{\gamma\gamma}$ )(middle) and ( $\mu_{\tau\tau}$ - $\mu_{bb}$ )(right) planes of the signal strength parameters for 2HDM Type-III parameter space

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMSとATLASが観測した95 GeVの二光子および二タウ過剰現象は、1つのBSMフレームワーク内で説明可能か？
• RQ2 LEPで長年にわたり観測された$b\bar{b}$過剰現象は、LHCで観測された同様の低質量共鳴状態と整合的か？
• RQ3 2HDMタイプ-IIIモデルは、二光子、二タウ、$b\bar{b}$の3つの異常を同時に説明可能であり、125 GeVヒッグス粒子からの制約を満たすか？
• RQ4 モデルは、HL-LHCでテスト可能なトップクォークヤクバイ係数の測定可能なずれを予測するか？
• RQ5 モデルの予測は、LEPの$h_{95} \to \tau\tau$生成に関する既存の制限と整合的か？

主な発見

• 2HDMタイプ-IIIモデルは、95 GeVの二光子過剰現象（CMS：2.9$\sigma$、ATLAS：1.7$\sigma$）と二タウ過剰現象（グローバルで3.1$\sigma$）を同時に説明可能である。
• このモデルは、LEPの98 GeVでの$b\bar{b}$過剰現象も説明可能であり、観測された質量分解能の整合性から共通の共鳴状態である可能性が示唆される。
• モデル内の最も軽いCP偶性ヒッグス粒子の信号強度は、$\mu_{\gamma\gamma} \approx 0.30$、$\mu_{\tau\tau} \approx 0.80$、$\mu_{b\bar{b}} \approx 0.03$であり、観測された過剰現象と整合的である。
• モデルは、標準模型（SM）と比較して12〜18%のトップクォークヤクバイ係数の増幅を予測しており、2つのベンチマーク点での値はそれぞれ$c_{h_{95}t\bar{t}} = 0.511$および$0.541$である。
• pp \to t\bar{t}H_{\rm SM}の予測断面積は最大18%増加し、HL-LHCでテスト可能である。
• モデルはLEPの$h_{95} \to \tau\tau$に関する制限と整合的であり、予測断面積は観測されたLEPの上限より著しく低い。

Figure 2: The $\chi^{2}_{\gamma\gamma+\tau\tau+b\bar{b}}$ dependence upon $s_{\beta-\alpha}$ . The colour bar indicates the value of $c^{2}_{h_{125}VV}$ (left) and $c^{2}_{h_{95}VV}$ (right). The horizontal dashed line indicates the 1 $\sigma$ region.