[논문 리뷰] The "96 GeV excess'' at the ILC

T. Biekötter, M. Chakraborti외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

논문은 CMS에서 관측된 96 GeV 이중광자 초과와 LEP에서 관측된 98 GeV b¯b 초과를 실수 단일 상태를 가진 다음 최소 2중 힉스 막대 모형(N2HDM)의 유형 II 및 유형 IV 변종에서 경량 힉스 보손이 설명할 수 있음을 제안한다. 이 모형은 동시에 두 초과를 수용하면서 모든 실험적 및 이론적 제약 조건을 만족하며,未래의 ILC 측정을 통해 정밀한 힉스 결합 스캔 또는 96 GeV 상태의 직접 생성을 통해 이 설명을 확인하거나 배제할 수 있음을 예측한다.

ABSTRACT

The CMS collaboration reported an intriguing \sim 3 sigma (local) excess at 96 GeV in the light Higgs-boson search in the diphoton decay mode. This mass coincides with a \sim 2 sigma (local) excess in the bb final state at LEP. We present the interpretation of this possible signal as the lightest Higgs boson in the 2 Higgs Doublet Model with an additional real Higgs singlet (N2HDM). It is shown that the type II and type IV (flipped) of the N2HDM can perfectly accommodate both excesses simultaneously, while being in agreement with all experimental and theoretical constraints. The excesses are most easily accommodated in the type II N2HDM, which resembles the Yukawa structure of supersymmetric models. We discuss the experimental prospects for constraining our explanation at future $e^+e^-$ colliders, with concrete analyses based on the ILC prospects.

연구 동기 및 목표

• CMS에서의 동시에 발생하는 96 GeV 이중광자 초과와 LEP에서의 98 GeV b¯b 초과를 하나의 새로운 스칼라 상태로 설명하기.
• 실수 단일 상태를 가진 2중 힉스 막대 모형(N2HDM)이 동시에 두 초과를 수용하면서 모든 제약 조건을 만족할 수 있는지 탐색하기.
• 특히 국제 선형 충돌기(ILC)를 포함한 미래의 e+e− 충돌기에서 이 설명의 실험적 타당성을 평가하기.
• ILC에서 관측 가능한 서명을 특정하여 제안된 N2HDM 시나리오를 확인하거나 배제할 수 있는지 규명하기.

제안 방법

• HiggsBounds, HiggsSignals, 플레이버 물리학, 전자기적 정밀도 관측량, 및 점성도 제약 조건을 포함한 N2HDM 매개변수 공간 전반에 걸친 전반적 매개변수 스캔 수행.
• 공개된 도구인 N2HDECAY와 SusHi를 사용하여 Higgs 붕괴 폭과 생산 횡단단면을 계산하고, HiggsSignals 및 HiggsBounds 입력에 활용.
• 96 GeV 상태로 가장 가벼운 CP-짝성 힉스 h1을 고려하며, h2는 125 GeV의 SM 유사 힉스로 식별하고, 더 무거운 상태(h3, A, H±)는 400 GeV 이상으로 설정.
• 예측된 신호 강도(µCMS 및 µLEP)를 관측된 초과와 비교하여 타당한 벤치마크 포인트 식별.
• Higgsstrahlung 및 관련 b¯b 붕괴에 대한 전통적 및 리코일 기반 검색 기법을 사용하여 ILC 감도를 예측.
• SM 유사 힉스 보손의 결합에서의 편차( fermion 및 벡터 보손으로의 결합)를 모델의 간접적 탐지 수 Mittel로 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실수 단일 상태를 가진 N2HDM가 동시에 CMS에서의 96 GeV 이중광자 초과와 LEP에서의 98 GeV b¯b 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ2 모든 제약 조건을 만족하면서 두 초과에 가장 잘 맞는 N2HDM 유형은 유형 II인지 유형 IV인지?
• RQ3 미래의 ILC 측정이 96 GeV 힉스 보손의 직접 생성에 얼마나 민감한가?
• RQ4 HL-LHC와 ILC에서의 125 GeV 힉스 보손 결합 정밀 측정은 N2HDM 설명이 SM 예측과 얼마나 다를 수 있는가?
• RQ5 ILC에서 관측 가능한 서명이 존재하여 제안된 모형을 배제하거나 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 유형 II 및 유형 IV N2HDM 시나리오는 모든 실험적 및 이론적 제약 조건을 만족하면서 동시에 96 GeV 이중광자 초과(3σ 국소)와 98 GeV b¯b 초과(2.3σ 국소)를 수용할 수 있다.
• 유형 II N2HDM에서 96 GeV 상태인 h1는 주로 단일 상태 유사이며, 125 GeV 힉스 보손 h2와의 혼합을 통해 SM 입자와 결합하여 이중광자 붕괴 확률이 증가하여 CMS 초과를 설명한다.
• 모든 1σ 수준에서 두 초과를 동시에 만족하는 벤치마크 포인트는 배경에 SM 이외의 새로운 물리가 없다는 가정 하에 표준 Higgsstrahlung 및 b¯b 붕괴 검색 기법을 사용할 경우 ILC 감도에 의해 배제될 것이다.
• 만약 96 GeV 상태가 존재한다면, ILC는 그 상태를 대량으로 생성하여 직접적으로 발견할 수 있을 것이다.
• N2HDM 설명이 옳다면, HL-LHC에서 125 GeV 힉스 보손의 결합에서 |ch2VV|가 2σ 이상의 편차를 보이며, ILC에서는 5σ 이상의 편차가 나타날 것이다.
• 유형 II 및 유형 IV 시나리오의 결합 패턴은 서로 다른 스케일링 행동을 보이며,未래의 정밀한 힉스 결합 측정을 통해 두 모형을 구별할 수 있는 잠재력이 있다.