[論文レビュー] Growing Excesses of New Scalars at the Electroweak Scale

Srimoy Bhattacharya, Guglielmo Coloretti+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

本論文は ATLAS および CMS の探索を組み合わせ、EWスケールの新規スカラー S′ ~95 GeV と S ~152 GeV の手がかりを見出し、単純化された H→SS* フレームワークで約5σのグローバル有意性を達成し、H→SS′ 脱落を説明する多レプトン異常を説明する可能性を示唆している。

ABSTRACT

We combine searches for scalar resonances at the electroweak scale performed by the Large Hadron Collider experiments ATLAS and CMS where persisted excesses have been observed in recent years. Using both the side-bands of Standard Model Higgs analyses as well as dedicated beyond the Standard Model analyses, we find significant hints for new scalars at $\approx 95\,$GeV ($S^\prime$) and $\approx152\,$GeV ($S$). The presence of a $95\,$GeV scalar is preferred over the Standard Model hypothesis by $3.8σ$, while interpreting the $152\,$GeV excesses in a simplified model with resonant pair production of $S$ via a new heavier scalar $H(270)$, a global significance of $\approx5σ$ is obtained. While the production mechanism of the $S^\prime$ cannot yet be determined, data strongly favours the associated production of $S$, i.e. via the decay of a heavier boson $H$ ($pp o H o SS^*$). A possible alternative or complementary decay chain is $H ightarrow SS^{\prime}$, where $S o WW^*$ ($S^{\prime}$) would be the source of the leptons ($b$-quarks) necessary to explain the multi-lepton anomalies found in Large Hadron Collider data.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えるEWスケールの追加スカラー玻璃の探索を動機づける。
• 様々なチャネルでの持続的な過剰信号が新規スカラー共鳴を指しているかを調査する。
• 提案された共鳴の組み合わせ有意性を単純化された生成フレームワークの中で定量化する。

提案手法

• ATLAS および CMS からの Higgs 側帯および標準模型拡張以外の分析を複数チャネルに跨って組み合わせ、グローバルな全体像を構築する。
• p値と Fisher の結合確率検定を用いて、複数の自由度を持つチャネル間の証拠を統合する。
• H ≈ 270 GeV の高質量状態 S を、H→SS* の単純化モデルでモデル化し、S は SM様の分岐比を持ち、不可視崩壊を含む可能性を含める。
• γγ、ττ、WW* など関連チャネルを集約して S′ ~95 GeV を再構成し、見かけの効果を考慮する。
• 別の組み合わせではエキゾチックな S→eμ チャネルを組み込み、152 GeV 信号の頑健性を検証する。

Figure 1: The $p$ -value as a function of the mass of $S^{\prime}$ for the low-mass channels (see main text for details).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量域 (~95 GeV) および高質量域 (~152 GeV) のスカラーの示唆は、ATLAS と CMS のデータを複数チャネルに跨って結合すると持続するか。
• RQ2 単純化された H→SS* 生成機構は、SM ヒッグスの測定と矛盾せずに観測された過剰を説明できるか。
• RQ3 トライアル要因やチャネル固有の系統誤差を考慮した後の、提案される共鳴のグローバル有意性はどの程度か。
• RQ4 H→SS′（S→WW*、S′→bb）の崩壊連鎖が、LHC で観測された多レプトン異常を説明し得るか。
• RQ5 S→eμ のようなエキゾチックチャネルを含めることが、152 GeV 状態の結合証拠を実質的に変更するか。

主な発見

• 低質量スカラー S′ が 95 GeV 程度で、見かけの意味を考慮した後で SM よりも約 3.8σ 程度で好まれる。
• 高質量スカラー S が 152 GeV 程度で、単純化された H→SS* モデルでグローバル有意性が約 5σ となる。
• 最も強い 152 GeV 信号は、S を SM に似た性質として解釈し、追加の H→SS* 生産を含めることで、いくつかのチャネルと整合性を生み出す場合に現れる。
• データは heavy ボソン H（pp→H→SS*）の崩壊を介した S の関連生産を支持しており、 multi-lepton 異常の説明として H→SS′ 崩壊が検討されている。
• S→ZZ*→4ℓ の明確な信号が欠如していることは、S がいくつかのモデルにおいて SU(2) トリプレット中性成分であることを favor する。

Figure 2: The $p$ -values of the individual high mass channels as well as their combination, both including and excluding the $\mu e$ signal.