[논문 리뷰] The "96 GeV excess" in the N2HDM

T. Biekötter, M. Chakraborti외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

논문은 CMS에서 관측된 96 GeV 이중광자 비례 증가와 LEP에서 관측된 98 GeV b¯b 비례 증가가 모두 실수 노말리티 이중 히iggs 모형(N2HDM)에 포함된 실수 스칼라 시그널(실수 중성장자)을 가진 다음 최소 2중 히iggs 이중체 모형(N2HDM)에서 유일한 가벼운 히iggs 보손(h₁)으로 기인할 수 있다고 제안한다. 타입 II 및 타입 IV N2HDM에서 이 상태는 125 GeV의 표준모형 유사 히iggs와의 혼합을 통해 발생하며, W±h₁로의 채굴된 히iggs 보손의 붕괴는 LHC 및 ILC 탐색에서 핵심 실험적 서명이다. 이 모형은 동시에 두 비례 증가를 수용하면서도 모든 실험적 및 이론적 제약 조건을 만족시킨다.

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 $b\bar b$ 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). We show 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 via charged Higgs-boson decays at the LHC or direct production of the $\sim 96\,$GeV Higgs boson at a future lepton collider like the ILC.

연구 동기 및 목표

• CMS에서의 동시에 발생한 96 GeV 이중광자 비례 증가와 LEP에서의 98 GeV b¯b 비례 증가를 설명하기 위해
• 실수 스칼라를 가진 N2HDM가 실험적 및 이론적 제약 조건 내에서 동시에 두 비례 증가를 수용할 수 있는지 탐색하기 위해
• 특히 LHC 및 향후 레프톤 충돌기에서 모형을 시험하기 위한 타당한 실험적 서명, 특히 W±h₁로의 채굴된 히iggs 보손 붕괴를 식별하기 위해
• 향후 충돌기, 예를 들어 ILC가 제안된 96 GeV 히iggs 보손을 발견하거나 배제할 수 있는 잠재력을 평가하기 위해

제안 방법

• N2HDM 매개변수 공간에서 전체 스캔을 수행하였으며, h₁은 95–98 GeV, h₂는 125.09 GeV, 더 무거운 h₃, A, H±를 중심으로 하였다.
• 히iggs 제약 조건(HiggsBounds, 충돌기 한계), 신호 강도(HiggsSignals), 플레이버 물리학(MH± > 650 GeV), 전자약력 정밀도 관측량(S, T, U), 그리고 정규성 조건을 적용하였다.
• 물리적 히iggs 섹터는 붕괴 폭 및 횡단면 계산을 위해 N2HDECAY와 SusHi를 사용하여 계산하였다.
• 모형은 신호 강도 측정(µCMS 및 µLEP)을 통해 3σ의 CMS 이중광자 비례 증가 및 2.3σ의 LEP b¯b 비례 증가와의 일치성을 테스트하였다.
• 감지 가능한 붕괴 채널을 식별하기 위해 H± → W±h₁ 및 H± → W±h₂의 분포율을 MH±의 함수로 계산하였다.
• ILC의 전망은 기대되는 95% 신뢰수준 상한선을 전통적 및 리코일 기법을 통해 평가하였으며, 스캔 포인트와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실수 스칼라를 가진 N2HDM가 동시에 CMS에서의 96 GeV 이중광자 비례 증가와 LEP에서의 98 GeV b¯b 비례 증가를 설명할 수 있는가?
• RQ2 타입 II 및 타입 IV N2HDM에서 두 비례 증가와 모든 실험적 제약 조건을 동시에 만족하는 타당한 매개변수 영역은 무엇인가?
• RQ3 채굴된 히iggs 보손이 W±h₁로 붕괴하는 것은 LHC에서 가벼운 히iggs 보손을 발견하는 데 어떤 방식으로 기여하는가?
• RQ4 신호 강도 및 횡단면 예측을 바탕으로 ILC가 96 GeV 히iggs 보손을 얼마나 잘 발견하거나 배제할 수 있는가?
• RQ5 S 및 T 오블리크 매개변수들은 이 시나리오에서 채굴된 히iggs 보손과 CP-역전 히iggs 보손 간의 질량 관계를 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• 타입 II 및 타입 IV N2HDM 시나리오에서는 96 GeV 이중광자 비례 증가(µCMS ≈ 0.6 ± 0.2)와 98 GeV b¯b 비례 증가(µLEP ≈ 0.117 ± 0.057)를 각각 1σ 이내로 동시에 수용할 수 있다.
• 가벼운 히iggs 보손 h₁는 주로 시그널-유사이며, 125 GeV 히iggs 보손 h₂와의 혼합을 통해 표준모형 결합을 획득한다.
• 타입 II N2HDM에서 두 비례 증가를 동시에 만족하는 점들은 H± → W±h₁의 분포율이 증가해 있으며, MH± ≈ 700–800 GeV일 경우 BR(H± → W±h₁)가 최대 약 20%에 이른다.
• 모든 1σ 범위 내에서 두 비례 증가를 수용하는 매개변수 포인트는, 신호 배경이 표준모형과 다를 것이 없다는 가정 하에 ILC의 95% 신뢰수준 상한선(리코일 기법 사용)에 의해 배제될 것이다.
• 모형은 정렬 한계에서 벗어나 있어, LHC에서 125 GeV 공진 영역 외부에서도 측정 가능한 크기의 BR(H± → W±h₁)를 갖는다.
• S 및 T 오블리크 매개변수들은 비례 증가를 만족하는 점들을 선호하거나 기피하지 않으며, 전자약력 정밀도 데이터와의 갈등이 없다는 것을 시사한다.