[논문 리뷰] Accumulating Evidence for the Associated Production of a New Higgs Boson at the Large Hadron Collider

Andreas Crivellin, Y. Fang외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 LHC 데이터에서 새로운 스칼라 힉스 보손 S가 존재할 가능성을 제기하며, 질량은 151.5 GeV로, 광자, Z 보손 또는 미량 에너지와 함께 생성된다고 제안한다. 분석 결과 이 상태에 대해 전역 유의수준 3.9σ(국지 유의수준 4.3σ)를 기록하여, 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 강력한 힌트를 제시한다. 이는 암흑물질과 관련이 있을 수 있으며, 다중 렙톤 비정상 현상도 설명할 수 있다.

ABSTRACT

In the last decades, the Standard Model (SM) of particle physics has been extensively tested and confirmed, with the announced discovery of the Higgs boson in 2012 being the last missing puzzle piece. Even though since then the search for new particles and interactions has been further intensified, the experiments ATLAS and CMS at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN did not find evidence for the direct production of a new state. However, in recent years deviations between LHC data and SM predictions in multiple observables involving two or more leptons (electrons or muons) have emerged, the so-called ``multi-lepton anomalies'', pointing towards the existence of a beyond the SM Higgs boson $S$. While from these measurements its mass cannot be exactly determined, it is estimated to lay in the range between $130\,$GeV and $160\,$GeV. Motivated by this observation, we perform a search for signatures of $S$, by using existing CMS and ATLAS analyses. Combining channels involving the associate productions of SM gauge bosons ($γγ$ and $Zγ$), we find that a simplified model with a new scalar with $m_S= 151.5\,$GeV is preferred over the SM hypothesis by 4.3$σ$ (3.9$σ$) locally (globally). On the face of it, this provides a good indication for the existence of a new scalar resonance $S$ decaying into photons, in association with missing energy and allows for a connection to the long-standing problem of Dark Matter. Furthermore, because $S$ is always produced together with other particles, we postulate the existence of a second new (heavier) Higgs boson $H$ that decays into $S$ and propose novel searches to discover this particle, which can be performed by ATLAS and CMS.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 다중 렙톤 최종 상태에서 관측된 비정상 현상이 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 시사하는지 조사하기 위해.
• 이러한 비정상 현상이 질량 151.5 GeV인 새로운 스칼라 힉스 보손 S가 광자 또는 Z 보손으로 붕괴함으로써 설명될 수 있는지 테스트하기 위해.
• 기존 ATLAS 및 CMS 분석에서 표준모형 힉스 보존 검색 채널을 재해석하여 S에 대한 증거를 찾기 위해.
• S로 붕괴하는 더 무거운 힉스 보손 H를 위한 새로운 검색 전략을 제안하기 위해, 연계 생성 신호에 기반한다.
• 관측된 신호를 암흑물질 및 이례적인 뮤온 g-2와 같은 해결되지 않은 문제들과 연결하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 γγ, Zγ, bb̄, ℓℓγ, 그리고 미량 에너지 최종 상태를 포함한 여러 LHC 검색 채널에 걸쳐 통합 통계적 피팅을 수행한다.
• 표준모형 힉스 보존 검색 분석을 기반으로, 질량 mS = 151.5 GeV인 새로운 스칼라 S에 대해 재해석한다.
• 배경는 잠재적인 새로운 물리학 기여를 고려하여 재피팅되며, 신호 템플릿은 단순화된 모델에서 유도된다.
• 유의수준을 계산하기 위해 두 실험의 결과를 글로벌 프로파일-우도 방법을 사용해 통합한다.
• S → bb̄ 붕괴 모드와 Br(H → Sh)를 조사하기 위해, γγbb̄ 및 τ⁺τ⁻bb̄와 같은 비대칭 최종 상태가 제안된다.
• 130–160 GeV 범위에 대한 피팅을 수행하며, 151.5 GeV 근처의 잠재적 초과와 138 GeV에서의 소규모 초과에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 데이터에서 관측된 다중 렙톤 비정상 현상이 약 150 GeV의 질량을 가진 새로운 스칼라 힉스 보손 S에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 기존 ATLAS 및 CMS 데이터에서 S가 광자, Z 보손 또는 미량 에너지와 함께 연계 생성된다는 증거가 있는가?
• RQ3 다양한 붕괴 채널의 통합 분석을 통해 새로운 스칼라 S의 신호 강도와 유의수준을 정량화할 수 있는가?
• RQ4 관측된 초과가 더 무거운 힉스 보손 H가 S로 붕괴하는 존재에 대한 함의는 무엇인가?
• RQ5 새로운 스칼라 S가 암흑물질 또는 이례적인 뮤온 g-2와 같은 해결되지 않은 현상과 연결될 수 있는가?

주요 결과

• 질량 151.5 GeV인 새로운 스칼라 보손 S는 표준모형 가설 대비 국지 유의수준 4.3σ, 전역 유의수준 3.9σ로 유리하게 평가된다.
• 신호는 γγ 및 Zγ 최종 상태에서 가장 두드러지며, S가 광자로 붕괴하고 관련된 미량 에너지와 함께 생성된다는 데 강한 경향이 있다.
• 분석 결과 138 GeV 근처에 소규모 초과가 관측되었으며, 이는 151.5 GeV 신호의 유의수준을 더욱 높일 수 있다.
• S → bb̄ 붕괴 모드는 가능하지만 필수는 아니며, γγbb̄ 및 τ⁺τ⁻bb̄와 같은 비대칭 검색 전략을 통해 이를 시험할 것을 제안한다.
• 결과는 더 무거운 힉스 보손 H가 S와 표준모형 힉스 보손으로 붕괴하는 시나리오와 일치하며, 다중 렙톤 비정상 현상을 설명할 수 있는 메커니즘을 제공한다.
• 결과는 또한 오른쪽 수반 중성자를 포함한 2HDM+S 모델을 통해 암흑물질과 이례적인 뮤온 g-2를 설명할 수 있는 길을 열어준다.