[論文レビュー] Global interpretation of LHC indications within the Georgi-Machacek Higgs model

François Richard|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Georgi-Machacek (GM) モデル内で、複数のLHCの新たなスカラー粒子の兆候——具体的には96 GeVのヒッグス粒子、400 GeVのCP反対性ボソン（A(400)）、および660 GeVの重いヒッグス粒子——を包括的に解釈する。これらの異常はまだ五シグマに達していないが、GMフレームワーク内では一貫して説明可能であり、今後の $e^+e^-$ コライダー、例えばILCでの主要な過程の断面積が増加すると予測される。これは、HL-LHCおよび次世代加速器での発見の動機づけとなる。

ABSTRACT

Following various LHC indications for new scalars, an interpretation of these is given in terms of the Georgi-Machacek (GM) model. On top of the confirmed SM Higgs boson, there are indications for a light Higgs at 96 GeV, for a CP-odd boson at 400 GeV, A(400), and for a heavy Higgs boson at 660 GeV. An extension of the GM is needed to interpret the fermion couplings of A(400). Potentially interesting deviations are also observed in the ttW cross-section measurement, which naturally fit into this picture. None of them crosses the fatidic five s.d. evidence but the addition of these effects, consistent with GM, suggest that there are good hopes for solid discoveries at HL-LHC, which should boost the motivation for future machines. The GM model also provides a useful framework to estimate the rates expected for various channels at an $e^+e^-$ collider, together with the range of energies needed. ILC performances are used for a quantitative estimate of these rates for the prominent channels.

研究の動機と目的

• 複数のLHCの異常——例えば96 GeVのヒッグス粒子、400 GeVのCP反対性ボソン、660 GeVの重いヒッグス粒子——を一つの理論的枠組み内で解釈すること。
• Georgi-Machacekモデルが、観測されたヒッグスカップリングのずれやttW断面積測定値のずれを一貫して説明できるかどうかを評価すること。
• High-Luminosity LHCおよび将来の $e^+e^-$ コライダー（例えばILC）でこれらの新しい状態を発見する可能性を評価すること。
• 将来の $e^+e^-$ コライダーにおける主要な過程の信号率と必要な中心座標系エネルギーを定量的に推定すること。

提案手法

• 分析は、Georgi-Machacekモデルの拡張スカラー系に適合するLHCデータのグローバルフィットを用いる。これには、ヒッグス信号強度、二ボソン共振、ttW生成が含まれる。
• A(400)状態のフェルミオンカップリングをモデルに追加することで、その観測された性質を一貫して解釈可能にする。
• GMモデルのスカラーおよびゲージ相互作用を用いて、$e^+e^-$ コライダー過程の理論的予測を導出する。これには、ヤコビおよびゲージカップリングが含まれる。
• ILCの性能シミュレーションを用いて、500 GeVおよび1 TeVの中心座標系エネルギーにおける $\gamma\gamma$、$ZZ$、$W^+W^-$、$h\gamma$ の代表的なチャンネルの信号率を推定する。
• 信号強度と断面積のずれの組み合わせを用いて、観測された異常とGMモデルの整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Georgi-Machacekモデルは、96 GeVのヒッグス粒子、400 GeVのCP反対性ボソン、660 GeVの重いヒッグス粒子というLHCの兆候を一貫して説明できるか？
• RQ2 ttW生成断面積の観測されたずれは、拡張されたGMモデルの予測とどのように整合するか？
• RQ3 ILCのような $e^+e^-$ コライダーにおける $\gamma\gamma$、$ZZ$、$W^+W^-$ などの主要な過程の期待される信号率は、GMモデルのもとでどの程度か？
• RQ4 ILCは、GMフレームワークにおける提案された新しいスカラー粒子を発見するのに十分な感度を達成するには、どの中心座標系エネルギーと光度が必要か？

主な発見

• 観測されたLHCの異常——特に96 GeVのヒッグス粒子、400 GeVのA(400)、660 GeVの共鳴状態——は、Georgi-Machacekモデル内で一貫して説明可能であり、統一された構造的背景を示唆している。
• モデルは、標準模型（SM）では顕著な異常と見なされるttW断面積のずれを自然に説明する。
• ILCは、新しいスカラー粒子の発見可能性が非常に高いと予測され、500 GeVおよび1 TeVのエネルギーで、$\gamma\gamma$ および $ZZ$ チャンネルの信号率が1 ab⁻¹あたり数100件に達する。
• モデルは、400 GeVのA(400)状態が $\gamma\gamma$ および $W^+W^-$ 終状態を通じて検出可能であると予測しており、500 GeVでの断面積は10–100 fbのオーダーである。
• 660 GeVの重いヒッグス状態は、特に1 TeVの中心座標系エネルギーで、$ZZ$ および $W^+W^-$ 終状態で顕著な生成断面積を示すと予想される。