[논문 리뷰] The 28 GeV Dimuon Excess in Lepton Specific 2HDM

Ali Çiçi, Shaaban Khalil외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CMS에서 양성자-양성자 충돌에서 관측된 28 GeV 딤유온 초과 현상에 대해, 경량 CP-홀드 힉스 보손(A)이 딤유온으로 붕괴하는 레프톤 특이적 이중 힉스 두중우 모형(LS-THDM)을 제안하여 분석한다. 모형은 A→μμ 붕괴를 통해 초과 현상을 설명하며, tanβ ≈ 12 및 mA ≈ 28 GeV일 때 8 TeV에서 최대 1.5σ의 유의수준, 13 TeV에서 2σ의 유의수준을 기록한다. 이는 A→ττ 붕괴 채널과 전자약력 정밀도 데이터에 의해 제약을 받는다.

ABSTRACT

We explore the Higgs mass spectrum in a class of Two Higgs Doublet Models (THDMs) in which a scalar SU(2)_L doublet interacts only with quarks, while the second one interacts only with leptons. The spectrum includes two CP-even Higgs bosons, either of which can account for the SM-like Higgs boson, and the spectra involving light Higgs bosons receive strong impacts from the LEP results and the current collider analyses. We find that a consistent spectrum can involve a CP-odd Higgs boson as light as about 10 GeV, while the lightest CP-even Higgs boson cannot be lighter than about 55 GeV when m_A ~ 28 GeV. These analyses can rather bound the low tan beta region which can also accommodate an observed excess in dimuon events at m_mumu ~ 28 GeV. A lepton-specific class of THDMs (LS-THDM) can predict such an excess through A -> mu mu decays, while the solutions can be constrained by the A -> tau tau mode. After constraining the solutions with the consistent ranges of sigma(pp -> bbA -> bb tau tau), a largest excess at about 1.5 sigma at 8 TeV center of mass (COM) energy and 2 sigma at 13 TeV COM is observed for tan beta ~ 12 and m_A ~ 28 GeV in the sigma(pp -> bbA -> bb mu mu) events.

연구 동기 및 목표

• 8 TeV 및 13 TeV 중심질량 에너지에서 CMS 데이터에서 관측된 28 GeV 딤유온 초과 현상을 레프톤 특이적 이중 힉스 두중우 모형(LS-THDM)을 사용하여 설명하기.
• 질량 ≈28 GeV인 경량 CP-홀드 힉스 보손(A)이 딤유온 공명의 원인일 수 있는지 평가하기.
• A→ττ 붕괴 채널과 전자약력 정밀도 측정치로부터의 실험적 제약을 사용하여 LS-THDM의 매개변수 공간을 제약하기.
• 다양한 tanβ 값과 중심질량 에너지에서 pp→bbA→bbμμ 과정의 신호 유의수준을 평가하기.
• collider 제약 조건을 동시에 만족하고 관측된 초과 현상을 재현할 수 있는 벤치마크 포인트를 식별하기.

제안 방법

• 트리 수준의 플레버-변경 중성미분류를 금지하고 CP-홀드 힉스(A)가 레프톤에 우선적으로 결합하도록 하는 Z₂ 대칭을 가진 레프톤 특이적 이중 힉스 두중우 모형(LS-THDM)을 수립한다.
• 히iggs 보손(h₁, h₂, A)의 효과적 요다 쿠플링을 유도하여, 큰 tanβ에서 A→μμ가 강화되고 A→bb는 억제됨을 보여준다.
• Higgs 보손이 게이지 보손, 바텀 쿼크, 타우 레프톤에 결합하는 데 대한 LEP 데이터의 제약을 적용하여 혼합 각도 αH를 제한하고, 정렬 유사 행동을 강제한다.
• 신호 단면적 σ(pp→bbA→bbμμ)을 계산하고, tanβ에 의한 억제와 검출기 민감도를 고려하여 관측된 초과 현상과 비교한다.
• A→ττ 붕괴 채널을 제약 조건으로 사용하여, σ(pp→bbA→bbττ) ≤ 140 fb의 상한선을 설정함으로써 매개변수 공간의 상당 부분을 배제한다.
• 6개의 시나리오에 걸쳐 벤치마크 포인트 분석을 수행하여, 8 TeV 및 13 TeV에서 관측 가능한 신호 강도를 갖는 영역을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMS 데이터에서 관측된 28 GeV 딤유온 초과 현상은 레프톤 특이적 이중 힉스 두중우 모형에서 경량 CP-홀드 힉스 보손(A)이 딤유온으로 붕괴함으로써 설명될 수 있는가?
• RQ2 8 TeV 및 13 TeV에서 pp→bbA→bbμμ 과정에서 관측된 유의수준을 재현할 수 있는 tanβ 및 mA의 타당한 값은 무엇인가?
• RQ3 A→ττ 붕괴 채널의 제약 조건은 LS-THDM 모형의 매개변수 공간을 어떻게 제한하는가?
• RQ4 특히 αH에 대한 전자약력 정밀도 데이터는 혼합 각도와 경량 힉스 상태의 정렬을 얼마나 제한하는가?
• RQ5 HL-LHC는 신호 강도가 억제되지만 잠재적으로 검출 가능한 높은 tanβ 값까지의 영역을 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 8 TeV에서 관측된 최대 신호 유의수준은 약 1.5σ이며, 13 TeV 중심질량 에너지에서 2σ이다. 이는 tanβ ≈ 12 및 mA ≈ 28 GeV일 때 발생한다.
• pp→bbA→bbμμ 채널의 신호 강도는 tanβ가 증가함에 따라 제곱적으로 감소하며, tanβ > 17일 경우 0.5σ 이하로 감소한다.
• A→ττ 붕괴 채널은 σ(pp→bbA→bbττ) ≤ 140 fb의 엄격한 상한선을 제공하여, 딤유온 초과 현상이 관측되는 매개변수 공간의 상당 부분을 배제한다.
• mA ≈ 28 GeV일 경우, LEP의 힉스 결합 제약 조건으로 인해 가장 가벼운 CP-짝성 힉스 보손(h₁)은 약 55 GeV 이하일 수 없다.
• CP-홀드 힉스 보손은 약 10 GeV까지 가벼울 수 있지만, 관측된 28 GeV 딤유온 초과 현상은 mA ≈ 28 GeV 및 tanβ ≈ 12일 때 최대 유의수준을 기록한다.
• 벤치마크 포인트 6는 정렬 한계(αH ≈ 0)를 만족하며 전자약력 정밀도 데이터와 일치한다. 반면 포인트 1, 3, 4는 sin(αH) ≤ 0.3 제약의 가장자리에 위치해 있다.