[논문 리뷰] $SU(2)_L$ triplet scalar as the origin of the 95 GeV excess?

Saiyad Ashanujjaman, Sumit Banik외 4명|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|2023. 06. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC 데이터에서 관측된 95 GeV 이중광자 초과 현상에 대해, 초전하가 $Y=0$인 $SU(2)_L$ 삼중항 스칼라가 설명 가능하다고 제안한다. 삼중항의 중성 성분은 표준모형 힉스와 약하게 혼합되어 Drell-Yan 생성($pp \to W^* \to HH^\pm$)을 통해 양성자 힉스 루프를 거쳐 $\gamma\gamma$로 붕괴하며, 신호 강도를 재현하면서도 특이한 $p_T$ 스펙트럼, 관련된 $\tau\tau$ 및 제트, $\tau\tau\nu\nu$ 최종 상태에 대해 약 0.4 pb의 단면적을 예측하고, $W$ 보손 질량에 양의 이동을 예측한다.

ABSTRACT

We explore the possibility that an $SU(2)_L$ triplet scalar with hypercharge $Y=0$ is the origin of the $95\,$GeV diphoton excess. For a small mixing angle with the Standard Model Higgs, its neutral component has naturally a sizable branching ratio to $γγ$ such that its Drell-Yan production via $pp o W^* o H H^\pm$ is sufficient to obtain the desired signal strength, where $H^\pm$ is the charged Higgs component of the triplet. The predictions of this setup are: 1) The $γγ$ signal has a $p_T$ spectrum different from gluon fusion but similar to associated production. 2) Photons are produced in association with tau leptons and jets, but generally do not fall into the vector-boson fusion category. 3) The existence of a charged Higgs with $m_{H^\pm}\approx\!(95\pm5)\,$GeV leading to $σ(pp o ττνν)\approx0.4\,$pb, which is of the same level as the current limit and can be discovered with Run 3 data. 4) A positive definite shift in the $W$ mass as suggested by the current global electroweak fit.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 확장하여 $SU(2)_L$ 삼중항 스칼라를 도입함으로써 LHC 데이터에서 관측된 95 GeV 이중광자 초과 현상을 설명하기 위해.
• 퍼티브리티 유니타리성과 진공 안정성 조건을 만족하면서도 이중광자 초과 현상을 설명할 수 있는 $Y=0$ 삼중항 스칼라의 타당성을 탐색하기 위해.
• 글로벌 전자약력적 피팅에 부합하는 $\gamma\gamma$, $\tau\tau\nu\nu$, $W$ 질량 이동과 같은 충돌기 서명을 예측하기 위해.
• 특히 다중 전하 스칼라에 대한 LHC 제약 조건과의 일치성을 평가하기 위해.
• 큰 결합 상수가 필요 없이도 관측된 신호 강도를 자연스럽게 생성할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 표준모형 힉스와 작은 혼합각 $\alpha$를 가진 $Y=0$ $SU(2)_L$ 삼중항 스칼라를 사용하여, 양성자 힉스 루프를 통한 $H \to \gamma\gamma$ 붕괴를 생성하기 위해.
• 관측된 이중광자 신호 강도를 재현하기 위해 Drell-Yan 생성 단면적 $pp \to W^* \to HH^\pm$을 계산하기 위해.
• 허용 가능한 매개변수 공간을 제한하기 위해 퍼티브리티 유니타리성과 진공 안정성 제약 조건을 구현하기 위해.
• 이중광자 최종 상태의 $p_T$ 스펙트럼을 시뮬레이션하여 글루온 융합와 관련 생성과의 구별을 위해.
• 몬테카를로 도구(PYTHIA, DELPHES)와 효과적 필드 이론 기법을 사용하여 충돌기 현상학을 모델링하기 위해.
• 예측된 $\sigma(pp \to \tau\tau\nu\nu)$를 현재의 LHC 제한 조건과 Run 3의 감도와 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전하가 $Y=0$인 $SU(2)_L$ 삼중항 스칼라가 LHC 데이터에서 관측된 95 GeV 이중광자 초과 현상을 재현할 수 있는가?
• RQ2 삼중항 붕괴에서 유도된 $\gamma\gamma$ 최종 상태에서의 특이한 $p_T$ 및 제트/타우 상관관계는 무엇인가?
• RQ3 현재의 감도로 Run 3 LHC에서 $H^\pm$ 붕괴로부터 유도된 $\tau\tau\nu\nu$ 최종 상태는 접근 가능한가?
• RQ4 모델은 CDF II 측정치에 의해 이끌리는 현재의 글로벌 전자약력 피팅에 부합하는 양의 $W$ 보손 질량 이동을 예측하는가?
• RQ5 다중 전하 스칼라에 대한 LHC 제약 조건을 피할 수 있는가, 비록 중성 상태가 약 95 GeV이지만?

주요 결과

• 삼중항에서 유도된 $\gamma\gamma$ 신호는 글루온 융합와는 다를 바 있는 $p_T$ 스펙트럼을 가지나, 관련 생성과 유사하여 핵심적인 분류 기준이 된다.
• 광자는 타우 렙톤과 제트와 함께 생성되지만, 벡터 보손 융합 기하구조에서는 발생하지 않으며, 서명 기반의 구별이 가능하다.
• 모델은 $m_{H^\pm} \approx 95 \pm 5$ GeV일 경우 $\sigma(pp \to \tau\tau\nu\nu) \approx 0.4$ pb를 예측하며, 이는 Run 3 LHC 데이터의 범위 내에 있다.
• 모델은 양의 $W$ 보손 질량 이동을 예측하며, 이는 CDF II 측정치에 의해 이끌리는 현재의 글로벌 전자약력 피팅과 일치한다.
• 퍼티브리티 유니타리성과 진공 안정성에 의해 제약을 받는 매개변수 공간은 $\alpha$-$\Delta_m$ 평면에서 허용 영역으로 확인된다.
• 비동일 질량 스펙트럼과 비열성 $W$ 보손을 통한 계단식 붕괴로 인해, 다중 전하 스칼라에 대한 강력한 LHC 제약 조건을 피할 수 있다.