[論文レビュー] The CMS di-photon excess at 95 GeV in view of the LHC Run 2 results

T. Biekötter, S. Heinemeyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 73被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、バリオン数のない2重ヒッグス・ダブルレット・モデル（S2HDM）に複素スカラーダイレットを追加した理論的枠組みにおいて、95 GeVでのCMS二光子過剰現象が、Yukawa型IIおよびIVの軽いヒッグス粒子によって説明可能であると提唱している。このモデルは、同時に95 GeVでの二光子過剰現象、LEPのb¯b過剰現象、およびCMSの二タウ過剰現象を説明可能であり、Yukawa型IVでは1σ以内の二タウ信号が得られる。今後のe+e−衝突型加速器（例：ILC）では、高精度な結合定数測定によって、2種類のYukawa型を区別可能である。

ABSTRACT

The CMS collaboration has recently reported the results of a low-mass Higgs-boson search in the di-photon final state based on the full Run 2 data set with refined analysis techniques. The new results show an excess of events at a mass of about 95 GeV with a local significance of 2.9σ, confirming a previously reported excess at about the same mass and similar significance based on the first-year Run 2 plus Run 1 data. The observed excess is compatible with the limits obtained in the corresponding ATLAS searches. In this work, we discuss the di-photon excess and show that it can be interpreted as the lightest Higgs boson in the Two-Higgs doublet model that is extended by a complex singlet (S2HDM) of Yukawa types II and IV. We show that the second-lightest Higgs boson is in good agreement with the current LHC Higgs-boson measurements of the state at 125 GeV, and that the full scalar sector is compatible with all theoretical and experimental constraints. Furthermore, we discuss the di-photon excess in conjunction with an excess in the $b\bar{b}$ final state observed at LEP and an excess observed by CMS in the di-tau final state, which were found at comparable masses with local significances of about 2σ and 3σ, respectively. We find that the $b\bar{b}$ excess can be well described together with the di-photon excess in both types of the S2HDM. However, the di-tau excess can only be accommodated at the level of 1σ in type IV. We also comment on the compatibility with supersymmetric scenarios and other extended Higgs sectors, and we discuss how the potential signal can be further analyzed at the LHC and at future $e^+e^−$ colliders.

研究の動機と目的

• 95 GeVでのCMS二光子過剰現象を、拡張されたヒッグス系における軽いヒッグス粒子として解釈すること。
• 複素スカラーダイレットを含むS2HDMが、同程度の質量で観測された二光子、b¯b、および二タウ過剰現象を同時に説明可能かどうかを検証すること。
• S2HDMが現在のLHCヒッグス測定結果および理論的制約とどの程度整合するかを評価すること。
• 今後のe+e−衝突型加速器において、Yukawa型IIとIVを区別する可能性を評価すること。
• 観測された信号強度µexp_γγ = 0.33+0.19−0.12が、S2HDMフレームワーク内でのBSM解釈と整合するかどうかを特定すること。

提案手法

• S2HDMに複素スカラーダイレットを追加し、5つの物理的ヒッグス状態を有する完全なスカラーダイレット系を導入する。
• Yukawa型IIおよびIVにおいて、2つのヒッグスダブルレットに結合定数を割り当て、フレーバー変換を伴う中性荷電現在の抑制を実現する。
• 125 GeVヒッグス粒子の測定結果（信号強度および結合定数）と整合するようにモデルを制約する。
• パラメータ空間にユニタリティ、真空安定性、摂動的可解性といった理論的制約を課す。
• 二光子信号強度はµexp_γγ = σexp(gg →ϕ→γγ)/σSM(gg →H→γγ)として計算され、Run 2全データから得られたµexp_γγ = 0.33+0.19−0.12が使用される。
• 今後の加速器の可能性は、250 GeVで2 ab−1の統合したルミノシティを持つ予想されるILC250データを用いて、ヒッグス結合定数を1%未満の精度で測定可能であると評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複素スカラーダイレットを含むS2HDMにおいて、95 GeVでのCMS二光子過剰現象が、125 GeVヒッグス粒子との整合性を保ちつつ一貫して説明可能か。
• RQ2 S2HDM型IIおよびIVが、同程度の質量で観測された二光子、b¯b、および二タウ過剰現象をどの程度同時に説明可能か。
• RQ3 S2HDMが、更新されたCMS信号強度µexp_γγ = 0.33+0.19−0.12とどの程度整合するか。
• RQ4 今後のe+e−衝突型加速器（例：ILC）が、95 GeV過剰現象の文脈でYukawa型IIとIVを区別可能か。
• RQ5 現在のLHCヒッグス結合定数測定は、95 GeV過剰現象を説明するS2HDMパラメータ点によって予測される標準模型（SM）からのずれに対してどの程度感受性を示すか。

主な発見

• 複素スカラーダイレットを含むS2HDMは、95 GeV二光子過剰現象を一貫して説明可能であり、Yukawa型IIおよびIVの両方が更新された信号強度µexp_γγ = 0.33+0.19−0.12と適合する。
• S2HDMにおける2番目に軽いヒッグス粒子は、信号強度および結合定数を含む125 GeVヒッグス粒子の測定された性質と良好に一致している。
• 理論的制約（ユニタリティ、真空安定性、摂動的可解性）は、関連パラメータ空間全体で満たされている。
• LEPの95 GeV b¯b過剰現象は、S2HDM型IIおよびIVの両方で良好に記述可能であり、観測された2σの有意水準と整合している。
• CMSの95 GeV二タウ過剰現象は、S2HDM型IVにおいては1σの範囲でのみ適合し、最大の信号強度は完全な説明に必要な強度に達していない。
• 2 ab−1のルミノシティを持つILC250では、95 GeV状態の結合定数を1%未満の精度で決定可能であり、ヒッグス結合定数測定に基づいてS2HDM型IIとIVを区別可能である。