[論文レビュー] $SU(2)_L$ triplet scalar as the origin of the 95 GeV excess?

Saiyad Ashanujjaman, Sumit Banik+4 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Jun 27, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、LHCデータで観測された95 GeVの二光子過剰現象を説明するために、 hypercharge $Y=0$ の $SU(2)_L$ トリプレットスカラーを提案する。トリプレットの電荷なし成分は、標準模型のヒッグスと弱く混合し、Drell-Yan生成過程 ($pp \to W^* \to HH^\pm$) における電荷付きヒッグスのループを通じて $\gamma\gamma$ に崩壊する。このメカニズムにより、信号強度を再現しつつ、特徴的な $p_T$ スペクトル、関連する $\tau\tau$ およびジェット、$\tau\tau\nu\nu$ 終状態の $\sim$0.4 pb の断面積、および $W$ ボソン質量の正のシフトを予測する。

ABSTRACT

We explore the possibility that an $SU(2)_L$ triplet scalar with hypercharge $Y=0$ is the origin of the $95\,$GeV diphoton excess. For a small mixing angle with the Standard Model Higgs, its neutral component has naturally a sizable branching ratio to $γγ$ such that its Drell-Yan production via $pp o W^* o H H^\pm$ is sufficient to obtain the desired signal strength, where $H^\pm$ is the charged Higgs component of the triplet. The predictions of this setup are: 1) The $γγ$ signal has a $p_T$ spectrum different from gluon fusion but similar to associated production. 2) Photons are produced in association with tau leptons and jets, but generally do not fall into the vector-boson fusion category. 3) The existence of a charged Higgs with $m_{H^\pm}\approx\!(95\pm5)\,$GeV leading to $σ(pp o ττνν)\approx0.4\,$pb, which is of the same level as the current limit and can be discovered with Run 3 data. 4) A positive definite shift in the $W$ mass as suggested by the current global electroweak fit.

研究の動機と目的

• 標準模型に $SU(2)_L$ トリプレットスカラーを追加することで、LHCデータで観測された95 GeVの二光子過剰現象を説明すること。
• 摂動的ユニタリティと真空安定性を満たしつつ、$Y=0$ のトリプレットスカラーが二光子過剰現象を説明可能かどうかを検討すること。
• グローバル電弱フィットに整合する、$\gamma\gamma$、$\tau\tau\nu\nu$、$W$ ボソン質量のシフトといったコライダーのシグネチャを予測すること。
• 特に多重電荷を有するスカラーに関するLHC制約と、モデルの整合性を評価すること。
• 大きな結合定数を必要とせず、観測された信号強度を自然に生成できるかどうかを示すこと。

提案手法

• 標準模型ヒッグスと小さな混合角 $\alpha$ を持つ $Y=0$ の $SU(2)_L$ トリプレットスカラーを用い、電荷付きヒッグスのループを通じて $H \to \gamma\gamma$ を生成する。
• 観測された二光子信号強度を再現するため、Drell-Yan生成断面積 $pp \to W^* \to HH^\pm$ の計算を行う。
• 摂動的ユニタリティと真空安定性の制約を導入し、許容されるパラメータ空間を制限する。
• 二光子終状態の $p_T$ スペクトルをシミュレーションし、グルーオン融合や関連生成とは区別できるようにする。
• モンテカルロツール（PYTHIA、DELPHES）と有効場理論技術を用いてコライダーの素粒子現象学をモデル化する。
• 予測された $\sigma(pp \to \tau\tau\nu\nu)$ を、現在のLHCの制約とRun 3の感度と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $Y=0$ の $SU(2)_L$ トリプレットスカラーは、LHCデータで観測された95 GeVの二光子過剰現象を再現可能か？
• RQ2 トリプレット崩壊による $\gamma\gamma$ 終状態における特徴的な $p_T$ スペクトルおよびジェット/タウ相関は何か？
• RQ3 Run 3のLHCで、現在の感度のもとで $H^\pm$ の崩壊による $\tau\tau\nu\nu$ 終状態は検出可能か？
• RQ4 モデルは、CERN IIの測定結果によって駆動される現在のグローバル電弱フィットと整合する正の $W$ ボソン質量シフトを予測するか？
• RQ5 約95 GeVの電荷なし状態を有するにもかかわらず、多重電荷を有するスカラーに関するLHC制約を回避できるか？

主な発見

• トリプレットからの $\gamma\gamma$ シグナルは、グルーオン融合とは異なり、関連生成に類似した $p_T$ スペクトルを示し、重要な区別要因となる。
• 光子はタウレプトンおよびジェットとともに生成されるが、ベクトルボソン融合トポロジーとは異なるため、シグネチャに基づく区別が可能である。
• モデルは $m_{H^\pm} \approx 95 \pm 5$ GeV の場合に $\sigma(pp \to \tau\tau\nu\nu) \approx 0.4$ pb を予測し、Run 3のLHCデータの範囲内にある。
• モデルは、現在のグローバル電弱フィットに一致する正の $W$ ボソン質量シフトを予測する。
• 摂動的ユニタリティと真空安定性の制約により、パラメータ空間が制限され、$\alpha$-$\Delta_m$ 平面に許容領域が特定された。
• 非デゲネレートな質量スペクトルと、非局在 $W$ ボソンへのカスケード崩壊のおかげで、多重電荷スカラーに関する強いLHC制約を回避できる。