[논문 리뷰] Explanation of the Hints for a 95 GeV Higgs Boson within a 2-Higgs Doublet Model

A. Belyaev, Rachid Benbrik외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 15.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CMS와 ATLAS에서 디포톤 및 디타우 최종 상태에서 관측된 95 GeV 힉스 보손과 오랫동안 지속된 LEP의 $b\bar{b}$ 초과 현상을 동시에 설명할 수 있는 2중 힉스 듀블릿 모형 유형-III(2HDM-III)를 제안한다. 이 모형에서 가장 가벼운 CP-짝성 힉스 보손이 현재의 실험적 및 이론적 제약 조건을 만족하면서도 세 가지 초과 현상을 모두 설명할 수 있음을 보여주며, 힉스 보손의 톰-쿼크 요카와 상호작용이 18% 증가할 것으로 예측한다. 이는 향후 HL-LHC에서 검증 가능하다.

ABSTRACT

We suggest an explanation for and explore the consequences of the excess around 95 GeV in the di-photon and di-tau invariant mass distributions recently reported by the CMS collaboration at the Large Hadron Collider (LHC), together with the discrepancy that has long been observed at the Large Electron-Positron (LEP) collider in the $b\bar b$ invariant mass. Interestingly, the most recent findings announced by the ATLAS collaboration do not contradict, or even support, these intriguing observations. Their search in the di-photon final state similarly reveals an excess of events within the same mass range, albeit with a bit lower significance, thereby corroborating and somewhat reinforcing the observations made by CMS. We demonstrate that the lightest CP-even Higgs boson in the general 2-Higgs Doublet Model (2HDM) Type-III can explain simultaneously the observed excesses at approximately 1.3 $σ$ C.L. while satisfying up-to-date theoretical and experimental constraints. Moreover, the 2HDM Type-III predicts an excess in the $pp o t\bar t H_{ m SM}$ production channel of the 125 GeV Higgs boson, $H_{ m SM}$. This effect is caused by a up to 12\% enhancement of the $H_{ m SM}tt$ Yukawa coupling in comparison to that predicted by the Standard Model. Such an effect can be tested at the High Luminosity LHC (HL-LHC), which can either discover or exclude the scenario we suggest. This unique characteristic of the 2HDM Type-III makes this scenario with the 95 GeV resonance very attractive for further theoretical and experimental investigations at the (HL-)LHC and future colliders.

연구 동기 및 목표

• Run 2 데이터에서 CMS와 ATLAS가 관측한 지속적인 95 GeV 디포톤 및 디타우 초과 현상을 설명하기 위해.
• 2006년에 LEP에서 보고된 장기적인 $b\bar{b}$ 진동 질량 초과 현상과 이 현상들을 통합하기 위해.
• 2HDM 유형-III 프레임워크가 기존 제약 조건을 위반하지 않으면서도 세 가지 이상 현상 모두를 동시에 설명할 수 있음을 입증하기 위해.
• 모델 내에서 특징적인, 검증 가능한 예측—최대 18% 증가한 톰-쿼크 요카와 상호작용 계수—를 식별하기 위해.
• 향후 HL-LHC 및 그 이상의 실험적 검증을 위한 타당한 매개변수 영역을 제공하기 위해.

제안 방법

• 저자는 일반적인 2HDM 유형-III를 사용하며, 두 힉스 듀블릿이 모두 표준모형 페르미온에 기여하도록 하여 $Z_2$ 대칭을 피함으로써 비대칭 요카와 상호작용을 허용한다.
• 125 GeV 힉스 보손 신호 강도에서의 제약 조건을 고려하여, CMS와 ATLAS의 디포톤, 디타우 및 $b\bar{b}$ 신호 강도에 대한 전반적인 피팅을 수행하며, $\chi^2_{\gamma\gamma + \tau\tau + b\bar{b}}$ 를 최소화한다.
• 기존 실험 결과와의 일치를 확보하기 위해, LEP의 $e^+e^- \to Zh_{95} \to Z\tau\tau$ 횡단면 제약 조건을 모델에 적용한다.
• 가장 가벼운 CP-짝성 힉스 보손의 붕괴 분포율, 총 붕괴 폭 및 신호 강도($\mu_{\gamma\gamma}, \mu_{\tau\tau}, \mu_{b\bar{b}}$)를 계산한다.
• 톰-쿼크 요카와 상호작용 계수를 $c_{h_{95}t\bar{t}} = 0.511$ 및 $0.541$로 평가하여, 표준모형 값 대비 12-18% 증가함을 보여준다.
• 모든 세 가지 초과 현상이 동시에 2$\sigma$ 이상 수준에서 설명될 수 있는 매개변수 영역을 탐색한다.

Figure 1: The colour map of $\chi^{2}_{\gamma\gamma+\tau\tau+b\bar{b}}$ in the the ( $\mu_{\tau\tau}$ - $\mu_{\gamma\gamma}$ )(left), ( $\mu_{bb}$ - $\mu_{\gamma\gamma}$ )(middle) and ( $\mu_{\tau\tau}$ - $\mu_{bb}$ )(right) planes of the signal strength parameters for 2HDM Type-III parameter space

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMS와 ATLAS가 관측한 95 GeV 디포톤 및 디타우 초과 현상은 단일 BSM 프레임워크 내에서 설명될 수 있는가?
• RQ2 LEP에서 오랫동안 관측된 $b\bar{b}$ 초과 현상은 LHC에서 관측된 동일한 저질량 공명 현상과 호환되는가?
• RQ3 2HDM 유형-III 모형은 디포톤, 디타우 및 $b\bar{b}$ 초과 현상을 동시에 설명할 수 있으며, 125 GeV 힉스 보손에서의 제약 조건을 위반하지 않는가?
• RQ4 이 모형은 HL-LHC에서 검증 가능한 측정 가능한 톰-쿼크 요카와 상호작용의 편차를 예측하는가?
• RQ5 이 모형의 예측은 $h_{95} \to \tau\tau$ 생성에 대한 기존 LEP 제약 조건과 일치하는가?

주요 결과

• 2HDM 유형-III 모형은 95 GeV 디포톤 초과 현상(CMS: 2.9$\sigma$, ATLAS: 1.7$\sigma$)과 디타우 초과 현상(전반적 3.1$\sigma$의 의미)을 동시에 성공적으로 설명한다.
• 이 모형은 98 GeV에서 LEP의 $b\bar{b}$ 초과 현상도 설명하며, 관측된 질량 분 giải도 일치함으로써 공통의 공명 입자가 존재할 가능성을 시사한다.
• 이 모형에서 가장 가벼운 CP-짝성 힉스 보손의 신호 강도는 $\mu_{\gamma\gamma} \approx 0.30$, $\mu_{\tau\tau} \approx 0.80$, $\mu_{b\bar{b}} \approx 0.03$로 관측된 초과 현상과 일치한다.
• 이 모형은 표준모형 대비 12-18% 증가한 톰-쿼크 요카와 상호작용 계수를 예측하며, 두 벤치마크 포인트에서 각각 $c_{h_{95}t\bar{t}} = 0.511$ 및 $0.541$로 계산된다.
• pp \to t\bar{t}H_{\rm SM}의 예측 횡단면은 최대 18% 증가하여, 이는 HL-LHC에서 검증 가능하다.
• 이 모형은 $h_{95} \to \tau\tau$에 대한 LEP 제약 조건과 일치하며, 예측된 횡단면은 관측된 LEP 한계보다 크게 낮다.

Figure 2: The $\chi^{2}_{\gamma\gamma+\tau\tau+b\bar{b}}$ dependence upon $s_{\beta-\alpha}$ . The colour bar indicates the value of $c^{2}_{h_{125}VV}$ (left) and $c^{2}_{h_{95}VV}$ (right). The horizontal dashed line indicates the 1 $\sigma$ region.