[논문 리뷰] A 96 GeV Higgs Boson in the 2HDM plus Singlet

S. Heinemeyer, C. Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

논문은 2HDM+Singlet 프레임워크(2HDMS 또는 N2HDM) 내에서 96 GeV 힉스 보손을 제안하여 CMS에서 관측된 3σ 이중광자 초과와 LEP에서 관측된 2σ b¯b 초과를 동시에 설명한다. 두 모델에서 가장 가벼운 CP-짝성 힉스 보손이 모든 LHC, 테바트론, LEP 및 이론적 제약 조건을 만족하면서 두 초과를 모두 설명할 수 있음을 보여준다. ILC250에서의 정밀 측정은 96 GeV 상태의 결합 예측이 동일하므로 두 모델을 구분할 수 없다.

ABSTRACT

We discuss a $\sim 3\,\sigma$ signal (local) in the light Higgs-boson search in the diphoton decay mode at $\sim 96$ GeV as reported by CMS, together with a $\sim 2\,\sigma$ excess (local) in the $b \bar b$ final state at LEP in the same mass range. We interpret this possible signal as a Higgs boson in the 2 Higgs Doublet Model type II with an additional Higgs singlet, which can be either complex (2HDMS) or real (N2HDM). We find that the lightest CP-even Higgs boson of the two models can equally yield a perfect fit to both excesses simultaneously, while the second lightest state is in full agreement with the Higgs-boson measurements at $125$ GeV, and the full Higgs-boson sector is in agreement with all Higgs exclusion bounds from LEP, the Tevatron and the LHC as well as other theoretical and experimental constraints. We derive bounds on the 2HDMS and N2HDM Higgs sectors from a fit to both excesses and describe how this signal can be further analyzed at future $e^+e^-$ colliders, such as the ILC. We analyze in detail the anticipated precision of the coupling measurements of the $96$ GeV Higgs boson at the ILC. We find that these Higgs-boson measurements at the LHC and the ILC cannot distinguish between the two Higgs-sector realizations.

연구 동기 및 목표

• . 논문은 CMS에서 관측된 96 GeV 이중광자 초과와 LEP에서 관측된 96 GeV b¯b 초과를 한 개의 가벼운 힉스 보손으로 해석하고자 한다.
• . 2HDM 유형 II에 실수 또는 복소수 단일 상태를 추가한 모델(즉, N2HDM 또는 2HDMS)이 두 초과를 동시에 설명할 수 있는지 조사하고자 한다.
• . LEP, 테바트론, LHC에서의 모든 실험적 제약 조건과의 호환성을 전체 힉스 보존 세트에 대해 평가하고자 한다.
• . 향후 e+e− 충돌기, 특히 ILC250의 잠재적 성능을 평가하여 96 GeV 힉스 보손의 결합을 탐색하고자 한다.
• . 향후 충돌기에서의 정밀 측정을 통해 2HDMS와 N2HDM 모델이 구분될 수 있는지 여부를 규명하고자 한다.

제안 방법

• . 2HDMS와 N2HDM 모델은 각각 Z3 대칭과 Z′2 대칭을 가지며, 모두 고차원 FCNC를 유지한다.
• . 힉스 포텐셜은 두 개의 두중자와 하나의 단일 상태를 포함하며, 모든 스칼라 필드의 진공 기대값(vev)을 포함한다.
• . LEP, 테바트론, LHC 힉스 배제 한계에 대한 실험적 제약 조건을 적용하며, 125 GeV에서의 정밀 측정도 포함한다.
• . 신호 초과는 이벤트 수와 유의수준을 사용하여 모델링되며, CMS 이중광자 채널에서 3σ 국소적 초과와 LEP b¯b 채널에서 2.3σ 국소적 초과로 기술된다.
• . ILC250의 민감도는 신호 대 배경 비율(S/B), 횡단면 계산, 결합 측정의 불확실성 전파를 통해 평가된다.
• . 결합 불확실성은 통계적 오차 전파를 통해 유도되며, ∆NS/NS ∝ √(NT) 및 ∆NB ∝ ϵsyst,B·NB 로 표현되며, 신호 대 배경 비율을 사용하여 상대 정밀도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 2HDM+Singlet 프레임워크(2HDMS 또는 N2HDM)가 CMS에서의 96 GeV 이중광자 초과와 LEP에서의 b¯b 초과를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 . 2HDMS와 N2HDM에서 96 GeV 힉스 보손의 결합 예측이 동일하여 향후 충돌기에서 구분이 불가능한가?
• RQ3 . 두 초과와 모든 기타 제약 조건을 만족하는 2HDMS 및 N2HDM의 힉스 보존 세트 파rameter에 대한 범위는 무엇인가?
• RQ4 . ILC250에서 96 GeV 힉스 보손의 결합은 얼마나 정밀하게 측정될 수 있는가?
• RQ5 . 향후 e+e− 충돌기에서의 루프 보정과 배경 추정 불확실성은 결합 측정 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• . 2HDMS와 N2HDM 양 모델에서 가장 가벼운 CP-짝성 힉스 보손은 높은 일致성으로 CMS 이중광자 초과(3σ)와 LEP b¯b 초과(2.3σ)를 동시에 맞출 수 있다.
• . 두 모델에서 두 번째로 가벼운 힉스 상태는 LHC에서의 125 GeV 힉스 보손 측정과 완전히 호환된다.
• . 두 모델의 모든 힉스 보존 세트는 LEP, 테바트론, LHC에서의 모든 기존 힉스 배제 한계를 충족한다.
• . ILC250에서 96 GeV 힉스 보손의 쿼크 및 게이지 보손에 대한 결합은 두 모델 모두에서 유사한 정밀도로 예측된다.
• . ILC250에서 96 GeV 힉스 보손의 신호 대 배경 비율(S/B)은 D = fh/fφ ≈ 3으로 보수적인 값으로 추정되어, 측정 정밀도가 측정 가능하다.
• . ILC250에서는 96 GeV 힉스 보손의 결합 예측이 동일하므로 2HDMS와 N2HDM를 정밀 측정을 통해 구분할 수 없다.