[논문 리뷰] Growing Excesses of New Scalars at the Electroweak Scale

Srimoy Bhattacharya, Guglielmo Coloretti외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS와 CMS의 검색을 결합하여 두 개의 새로운 EW-스케일 스칼라: S′ ~95 GeV 와 S ~152 GeV의 힌트를 찾아, 단순화된 H→SS* 프레임워크에서 약 5σ의 글로벌 유의성과 다중-입자 이상현상을 설명하는 가능성을 제시합니다.

ABSTRACT

We combine searches for scalar resonances at the electroweak scale performed by the Large Hadron Collider experiments ATLAS and CMS where persisted excesses have been observed in recent years. Using both the side-bands of Standard Model Higgs analyses as well as dedicated beyond the Standard Model analyses, we find significant hints for new scalars at $\approx 95\,$GeV ($S^\prime$) and $\approx152\,$GeV ($S$). The presence of a $95\,$GeV scalar is preferred over the Standard Model hypothesis by $3.8σ$, while interpreting the $152\,$GeV excesses in a simplified model with resonant pair production of $S$ via a new heavier scalar $H(270)$, a global significance of $\approx5σ$ is obtained. While the production mechanism of the $S^\prime$ cannot yet be determined, data strongly favours the associated production of $S$, i.e. via the decay of a heavier boson $H$ ($pp o H o SS^*$). A possible alternative or complementary decay chain is $H ightarrow SS^{\prime}$, where $S o WW^*$ ($S^{\prime}$) would be the source of the leptons ($b$-quarks) necessary to explain the multi-lepton anomalies found in Large Hadron Collider data.

연구 동기 및 목표

• 전기적 약한 상호작용 규모에서 표준모형을 넘어서는 추가 스칼라 구를 탐색하기 위한 동기 제시.
• 다양한 채널에서의 지속적인 과잉이 새로운 스칼라 공명으로 이어지는지 조사.
• 단순화된 생산 프레임워크 내에서 잠재적 공명의 결합 유의성을 정량화하기.

제안 방법

• 여러 채널에서 ATLAS 및 CMS의 Higgs-사이드밴드 및 비표준모형 분석을 결합하여 전역 그림을 구성합니다.
• 다중 자유도 채널의 증거를 집계하기 위해 p-값과 Fisher의 결합 확률 테스트를 사용합니다.
• H→SS* 시나리오를 단순화된 모델로 모델링하되 H ≈ 270 GeV, S의 SM 유사 분기비를 포함하고 보이지 않는 붕괴 가능성을 포함합니다.
• γγ, ττ, WW* 등 관련 채널을 모아 H→SS* 효과를 고려하며 S′ ~95 GeV를 재구성합니다.
• 대체 조합에서 이국적 채널 S→eμ를 포함시켜 152 GeV 신호의 강건성을 테스트합니다.

Figure 1: The $p$ -value as a function of the mass of $S^{\prime}$ for the low-mass channels (see main text for details).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저질량 (~95 GeV) 및 고질량 (~152 GeV) 스칼라 힌트가 ATLAS와 CMS 데이터를 여러 채널에서 결합할 때 지속되는가?
• RQ2 단순화된 H→SS* 생산 메커니즘이 SM Higgs 측정과 충돌 없이 관측된 과잉을 설명할 수 있는가?
• RQ3 시험 요인과 채널별 시스템atics를 고려한 후 제안된 공명의 전세계적 유의성은 얼마인가?
• RQ4 H→SS′ (S→WW* 및 S′→bb) 연쇄가 LHC에서 관측된 다중-입자 이상현상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 S→eμ 같은 이국적 채널을 포함하는 것이 152 GeV 상태에 대한 결합 증거를 실제로 바꾸는가?

주요 결과

• S′가 약 95 GeV 정도로 낮은 질량 구간에서 SM보다 선호되며 Look-Elsewhere 효과를 고려한 뒤 약 3.8σ 수준이다.
• S가 약 152 GeV에서 단순화된 H→SS* 모델에서 글로벌 유의성이 약 5σ를 보인다.
• 가장 강한 152 GeV 신호는 S를 SM-유사로 해석하고 추가 H→SS* 생산을 포함할 때 여러 채널과의 일관성을 만들어낸다.
• 데이터는 S의 동반생산(H가 더 무거운 보손의 붕괴를 통해 pp→H→SS*)을 선호하며, 다중-입자 이상현상을 설명하는 H→SS′ 붕괴의 가능성도 논의된다.
• S→ZZ*→4ℓ 신호의 부재는 S가 일부 모델에서 SU(2) 삼중 비대칭 중성 성분임을 시사한다.

Figure 2: The $p$ -values of the individual high mass channels as well as their combination, both including and excluding the $\mu e$ signal.