[論文レビュー] The 28 GeV Dimuon Excess in Lepton Specific 2HDM

Ali Çiçi, Shaaban Khalil+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、プロトン-プロトン衝突におけるCMSが観測した28 GeVの二ミュオン過剰を、軽いCP不変のヒッグス粒子（A）が二ミュオンに崩壊するレプトン特異的2ヒッグスダブルレットモデル（LS-THDM）を提案することで調査している。このモデルでは、tanβ ≈ 12およびmA ≈ 28 GeVの条件下で、8 TeVの中心系エネルギーで最大1.5σ、13 TeVで2σの有意水準を示すが、A→ττ崩壊チャネルおよび電弱精度測定データによって制約を受ける。

ABSTRACT

We explore the Higgs mass spectrum in a class of Two Higgs Doublet Models (THDMs) in which a scalar SU(2)_L doublet interacts only with quarks, while the second one interacts only with leptons. The spectrum includes two CP-even Higgs bosons, either of which can account for the SM-like Higgs boson, and the spectra involving light Higgs bosons receive strong impacts from the LEP results and the current collider analyses. We find that a consistent spectrum can involve a CP-odd Higgs boson as light as about 10 GeV, while the lightest CP-even Higgs boson cannot be lighter than about 55 GeV when m_A ~ 28 GeV. These analyses can rather bound the low tan beta region which can also accommodate an observed excess in dimuon events at m_mumu ~ 28 GeV. A lepton-specific class of THDMs (LS-THDM) can predict such an excess through A -> mu mu decays, while the solutions can be constrained by the A -> tau tau mode. After constraining the solutions with the consistent ranges of sigma(pp -> bbA -> bb tau tau), a largest excess at about 1.5 sigma at 8 TeV center of mass (COM) energy and 2 sigma at 13 TeV COM is observed for tan beta ~ 12 and m_A ~ 28 GeV in the sigma(pp -> bbA -> bb mu mu) events.

研究の動機と目的

• 8および13 TeVの中心系エネルギーで観測されたCMSデータにおける28 GeVの二ミュオン過剰を、レプトン特異的2ヒッグスダブルレットモデル（LS-THDM）を用いて説明すること。
• 質量が約28 GeVの軽いCP不変ヒッグス粒子（A）が二ミュオン共鳴状態の原因である可能性を検証すること。
• A→ττ崩壊と電弱精度測定からの実験的制限を用いて、LS-THDMのパラメータ空間を制約すること。
• さまざまなtanβ値および中心系エネルギーにおけるpp→bbA→bbμμ過程の信号有意水準を評価すること。
• コライダーの制限を満たしつつ観測された過剰を再現できるベンチマーク点を特定すること。

提案手法

• 樹形レベルのフレーバー変換中性荷電現在を禁止し、CP不変ヒッグス（A）がレプトンに強くカップルするZ₂対称性を持つレプトン特異的2ヒッグスダブルレットモデル（LS-THDM）を構築する。
• ヒッグス粒子（h₁, h₂, A）のフェルミオンへの有効ヤコビカップリングを導出し、tanβが大きい場合にA→μμが強化され、A→bbが抑制されることを示す。
• LEPの測定データを用いて、ヒッグスがゲージボソン、ボトムクォーク、およびτレプトンにカップルする割合に制限を課し、混合角αHを制限し、アライメントに類似した振る舞いを強制する。
• 信号断面積σ(pp→bbA→bbμμ)を計算し、tanβによる抑制および検出器感度を考慮して観測された過剰と比較する。
• A→ττ崩壊チャネルを制約として用い、σ(pp→bbA→bbττ) ≤ 140 fbの上限を設定し、過剰が観測されるパラメータ空間の大部分を除外する。
• 6つのシナリオにわたるベンチマーク点分析を実施し、8および13 TeVにおける観測可能な信号強度を持つ有効な領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 28 GeVの二ミュオン過剰は、レプトン特異的2ヒッグスダブルレットモデルにおける軽いCP不変ヒッグス粒子（A）が二ミュオンに崩壊することで説明可能か？
• RQ2 8および13 TeVのpp→bbA→bbμμ過程において、観測された信号有意水準を再現するための有効なtanβおよびmAの値は何か？
• RQ3 A→ττ崩壊チャネルからの制限は、LS-THDMのパラメータ空間をどの程度制限するか？
• RQ4 特にαHに関する電弱精度測定データは、軽いヒッグス状態の混合角およびアライメントをどの程度制限するか？
• RQ5 HL-LHCは、信号強度が抑制されているが検出可能である可能性がある高めのtanβ値への到達範囲を拡大できるか？

主な発見

• 二ミュオン過剰の最大観測有意水準は、8 TeVで約1.5σ、13 TeVの中心系エネルギーで2σであり、tanβ ≈ 12およびmA ≈ 28 GeVの条件下で達成される。
• pp→bbA→bbμμチャネルにおける信号強度は、tanβの増加に伴い2乗的に低下し、tanβ > 17では0.5σ未満となる。
• A→ττ崩壊チャネルは、σ(pp→bbA→bbττ) ≤ 140 fbという厳密な上限を課し、二ミュオン過剰が観測されるパラメータ空間の大部分を除外する。
• mA ≈ 28 GeVのとき、軽いCP偶性ヒッグス粒子（h₁）は約55 GeV未満にはなり得ない。これはLEPのヒッグスカップリング制限によるものである。
• CP不変ヒッグス粒子は約10 GeVまで軽くできるが、28 GeVで観測された二ミュオン過剰は、最大有意水準を得るためにはmA ≈ 28 GeVおよびtanβ ≈ 12である必要がある。
• ベンチマークポイント6はアライメント限界（αH ≈ 0）を満たし、電弱精度測定データと整合するが、ポイント1、3、4はsin(αH) ≤ 0.3の境界付近にある。