[논문 리뷰] A 95 GeV Higgs Boson in the Georgi-Machacek Model

Ting-Kuo Chen, Cheng-Wei Chiang외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 99인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 CMS와 ATLAS에서 두 광자 붕괴에서 관측된 95 GeV 힉스 보손이 힉스 삼중항을 포함하는 재규격화 가능한 표준모형의 확장인 조르지-마하체크(Georgi-Machacek, GM) 모형 내에서 설명될 수 있다고 제안한다. 이 모형은 이중으로 양전하를 띠는 힉스 보손의 고리 기여를 통해 자연스럽게 강화된 두 광자 붕괴 비율을 가진 가벼운 힉스 보손을 수용할 수 있으며, 동시에 트리 수준의 ρ-파라미터를 유지한다. 관측된 95 GeV 두 광자 초과(신호 강도 μγγ ≈ 0.24)는 GM 프레임워크 내에서 잘 설명되며, 예측된 이중으로 양전하를 띠는 힉스 보손은 100–200 GeV 범위에 위치한다. 이는 향후 LHC 탐색에 대한 동기를 부여한다.

ABSTRACT

CMS and ATLAS have reported small excesses in the search for low-mass Higgs bosons in the di-photon decay channel at exactly the same mass, $95.4~$GeV. These searches rely on improved analysis techniques, enhancing in particular the discrimination against the $Z o e^+e^-$ background. In models beyond the Standard Model (SM) that extend the Higgs sector with triplets, doubly-charged Higgs bosons are predicted which can contribute substantially to the di-photon decay rate of a light Higgs boson. The Georgi-Machacek (GM) Model is of particular interest in this context, since despite containing Higgs triplets it preserves the electroweak $ρ$-parameter to be$~$1 at the tree level. We show that within the GM model, a Higgs boson with a mass of $\sim 95~$GeV with a di-photon decay rate as observed by CMS and ATLAS can be well described. 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 have been found at comparable masses with local significances of about $2σ$ and $3σ$, respectively. The presence of a Higgs boson at about $95~$GeV within the GM model would imply good prospects of the searches for additional light Higgs bosons. In particular, the observed excess in the di-photon channel would be expected to be correlated in the GM model with a light doubly-charged Higgs boson in the mass range between $100~$GeV and $200~$GeV, which motivates dedicated searches in upcoming LHC Runs.

연구 동기 및 목표

• CMS와 ATLAS 데이터에서 관측된 95 GeV 두 광자 공명 초과를 재규격화 가능한 뒷모델(BSM) 내에서 설명하기.
• 조르지-마하체크 모형이 동시에 95 GeV 두 광자 초과, LEP의 b¯b 초과, 그리고 CMS의 두 타우 초과를 수용할 수 있는지 조사하기.
• 특히 ρ-파라미터와 힉스 섹터 구조에 미치는 영향을 고려하여, GM 모형 내에서 95 GeV에 위치한 가벼운 힉스 보손의 현상학적 타당성 탐색하기.
• 특히 100–200 GeV 범위 내에서 예측되는 이중으로 양전하를 띠는 힉스 보손을 포함한 새로운 검증 가능한 서명 찾기.

제안 방법

• 분석은 실수 SU(2) 삼중항 힉스 장을 포함하는 재규격화 가능한 표준모형의 확장인 조르지-마하체크 모형을 사용하며, 트리 수준의 ρ-파라미터를 1로 유지한다.
• 95 GeV 힉스 보손의 두 광자 붕괴 비율은 모형이 예측하는 이중으로 양전하를 띠는 힉스 보손의 고리 기여를 통해 계산된다.
• 기존의 LHC 및 LEP 데이터로 모형이 제약을 받으며, γγ, b¯b, ττ 최종 상태의 신호 강도와 톰 쿼크 및 Z 보손과의 연관된 힉스 생산에 대한 제약 조건이 포함된다.
• 관측된 신호 강도(μγγ ≈ 0.24(통합 ATLAS+CMS), μbb ≈ 0.117(LEP), μττ ≈ 1.2(CMS))와의 일관성을 평가하기 위해 종합 피팅을 수행한다.
• 모형의 예측은 톰-연계 및 Z-연계 힉스 생산에 대한 실험적 한계와 LEP에서의 e+e− → Zϕ → τ+τ−에 대한 결과와 비교된다.
• 관측 초과를 재현하면서 모든 실험 제약 조건을 만족하는 영역을 찾기 위해 GM 모형의 매개변수 공간에 대한 수치적 스캔을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조르지-마하체크 모형은 CMS와 ATLAS가 동시에 관측한 95 GeV 두 광자 공명 초과를 단일 스칼라 상태로 설명할 수 있는가?
• RQ2 모형은 동일한 질량에서 LEP의 b¯b 초과와 CMS의 두 타우 초과를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ3 관측된 두 광자 붕괴 비율을 생성하는 데 필요한 GM 모형 내 이중으로 양전하를 띠는 힉스 보손의 예측 질량 범위는 무엇인가?
• RQ4 GM 모형 내 힉스 삼중항의 존재가 ρ-파라미터에 미치는 영향은 무엇이며, 트리 수준의 값 1이 유지되는가?
• RQ5 모든 현재 실험 제약 조건을 만족하면서 세 가지 초과를 설명할 수 있는 GM 모형 내 타당한 매개변수 영역이 존재하는가?

주요 결과

• 조르지-마하체크 모형은 통합 ATLAS와 CMS 데이터와 일치하는 신호 강도 μγγ ≈ 0.24를 가진 관측된 95 GeV 두 광자 초과를 성공적으로 설명한다.
• 모형은 100–200 GeV 범위 내의 이중으로 양전하를 띠는 힉스 보손을 예측하며, 이는 두 광자 붕괴 비율과 관련되어 있어 향후 LHC 탐색의 핵심 서명이 된다.
• 모형은 95 GeV에서 LEP의 2.3σ b¯b 최종 상태 초과(μbb ≈ 0.117)와 CMS의 2.6σ τ+τ− 최종 상태 초과(μττ ≈ 1.2)를 동시에 수용한다.
• GM 모형에서 트리 수준의 ρ-파라미터는 여전히 1로 유지되어, 힉스 삼중항의 존재에도 불구하고 전자약력 정밀도 시험과 일관성을 유지한다.
• 톰 쿼크 및 Z 보손과의 연계된 힉스 생산에 기인한 현재 제약 조건 하에서도 모형은 타당하며, 일부 최신 CMS 제약 조건과는 긴장이 존재한다.
• GM 모형 내 95 GeV 힉스 보손의 존재는 향후 LHC 런에서 추가적인 가벼운 힉스 상태, 특히 이중으로 양전하를 띠는 힉스 보손의 발견 가능성이 높아 보인다.