[논문 리뷰] 95.4 GeV diphoton excess at ATLAS and CMS

Thomas Biekötter, S. Heinemeyer외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 58인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 2 데이터에서 ATLAS와 CMS가 관측한 95.4 GeV 이중 광자 초과 현상을 조사하며, 양성자-양성자 충돌에서 발생하는 가벼운 힉스 보존이 두 개의 힉스 두중자 모델에 복소 스칼라 레지온을 추가한 S2HDM(복소 스칼라를 포함한 이중 힉스 두중자 모델)에서 기인할 수 있다고 제안한다. 이 모델은 γγ 최종 상태에서의 병합 3.1σ 초과를 성공적으로 설명하면서도, 모든 다른 힉스 섹터 제약 조건과 일치하며, 플랑크 위성 측정치와 일치하는 잔류 어둠물질 밀도를 예측한다.

ABSTRACT

The ATLAS Collaboration has recently reported the results of a low-mass Higgs-boson search in the diphoton final state based on the full Run 2 dataset. The results are based on an improved analysis with respect to the previous analysis, which included a part of the Run 2 data, with a substantially better sensitivity. The “model-dependent” search carried out by ATLAS shows an excess of events at a mass of about 95.4 GeV with a local significance of 1.7σ. The results are compatible with a previously reported excess at the same mass, but with somewhat higher significance of 2.9σ, from the CMS collaboration, also based on the full Run 2 dataset. Combining the two results (neglecting possible correlations), we find a signal strength of $μ_{γγ}^{ATLAS+CMS}$=0.24$_{-0.08}^{+0.09}$, corresponding to an excess of 3.1σ. In this work, we investigate the implications of this result, updating a previous analysis based solely on the CMS Run 2 data. We demonstrate that the ATLAS/CMS combined diphoton excess can be interpreted as the lightest Higgs boson in a Two-Higgs doublet model that is extended by a complex singlet (S2HDM) of Yukawa types II and IV, while being in agreement with all other experimental and theoretical constraints.

연구 동기 및 목표

• ATLAS와 CMS가 런 2 데이터에서 관측한 병합 95.4 GeV 이중 광자 초과 현상을 새로운 스칼라 입자 공진으로 해석하는 것.
• 이 공진이 복소 스칼라를 포함한 이중 힉스 두중자 모델(S2HDM)의 확장된 힉스 섹터 내에서 일관되게 기술될 수 있는지 평가하는 것.
• 이 모델이 이중 광자 초과, LEP에서 관측된 b¯b 초과, 그리고 측정된 어둠물질 잔류 밀도를 동시에 설명할 수 있는지 확인하는 것.
• 기존의 힉스 보존 결합, 플레이버 물리학, 전자기약력 정밀 관측 결과로부터의 제약 조건과의 일치성을 평가하는 것.

제안 방법

• ATLAS와 CMS의 95.4 GeV 이중 광자 신호 강도를 병합하여, 병합된 신호 강도 µγγ = 0.24+0.09−0.08를 도출하였으며, 이는 3.1σ 초과에 해당한다.
• 이중 광자 및 b¯b 초과를 설명할 수 있는 벤치마크 점을 찾기 위해 S2HDM 매개변수 공간 전체를 스캔하며, 요다 타입 II 및 IV에 집중한다.
• 표준모형 유사 힉스 보존(125 GeV) 측정치, 전자기약력 정밀 관측 결과, 플레이버 물리학(예: K⁰−K̄⁰ 혼합) 및 페르미온 단위성의 엄격한 제약 조건을 적용한다.
• 잔류 어둠물질 밀도는 스칼라 성분을 통해 평가하며, 플랑크 위성 측정치와 일치하도록 요구한다.
• CMS의 95.4 GeV에서 관측된 이중 타우 채널 초과를 예측할 수 있는지 평가하며, 이는 CMS의 2.6σ 초과와 비교한다.
• 관측된 및 기대되는 한계값으로부터 신호 강도 µγγ를 계산하기 위해, 95.4 GeV에서 SM의 H→γγ 횡단면(126 pb)을 기준으로 삼는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS와 CMS의 병합 95.4 GeV 이중 광자 초과 현상이, 복소 스칼라를 포함한 S2HDM 내에서 단일의 새로운 스칼라 공진으로 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ2 요다 타입 II 또는 IV의 S2HDM이 동시에 이중 광자 초과, LEP에서의 b¯b 초과, 그리고 관측된 어둠물질 잔류 밀도를 설명할 수 있는가?
• RQ3 이 모델은 95.4 GeV에서 CMS의 이중 타우 초과를 어느 정도 수용할 수 있으며, 이 채널의 신호 강도에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 히iggs 결합 및 플레이버 물리학에서의 모든 실험 제약 조건을 충족하는 S2HDM 매개변수 공간 내의 벤치마크 점이 존재하는가?
• RQ5 미래의 LHC 및 e+e− 충돌기 실험들이 쌍방향 측정 및 직접 탐색 결과를 통해 이 S2HDM 모델을 표준모형과 구별할 수 있는가?

주요 결과

• ATLAS와 CMS의 병합 이중 광자 초과 현상에서 95.4 GeV에서의 신호 강도는 µγγ = 0.24+0.09−0.08로 도출되었으며, 이는 국소적으로 3.1σ의 의미를 가진다.
• 복소 스칼라를 포함한 요다 타입 IV의 S2HDM은 이중 광자 초과와 LEP의 b¯b 초과를 동시에 설명할 수 있으며, 플랑크 측정치와 일치하는 어둠물질 잔류 밀도를 예측한다.
• 요다 타입 II의 S2HDM에서는 이중 광자 및 b¯b 초과가 잘 설명되지만, 1σ 수준에서 CMS의 이중 타우 초과를 설명할 수는 없다.
• 요다 타입 IV의 S2HDM에서는 이중 타우 채널에서 상당한 강도의 신호가 가능하지만, CMS의 이중 타우 초과를 완전히 설명하기에 충분한 수준은 아니다.
• 이 모델은 힉스 보존 결합, 플레이버 물리학, 전자기약력 정밀 관측 결과에서의 모든 현재 제약 조건을 만족하며 유효하다.
• 미래의 고광도 LHC 및 e+e− 힉스 팩토리 실험들은 95.4 GeV 상태를 직접 탐색하고, 125 GeV 힉스 보존의 결합을 고정밀도로 측정함으로써 이 모델을 시험할 수 있다.