[논문 리뷰] The CMS di-photon excess at 95 GeV in view of the LHC Run 2 results

T. Biekötter, S. Heinemeyer외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 73인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 2중 힉스 이중체 모형(2HDM)에 복소 단일 상태를 추가한 복소 단일 상태를 가진 두 힉스 이중체 모형(S2HDM)에서, 95 GeV에서 관측된 CMS 이광자 초과 현상이 가벼운 힉스 보손에 의해 설명될 수 있음을 제안한다. 이 모형은 동시에 95 GeV 이광자 초과, LEP b¯b 초과, 그리고 CMS 이타우 초과를 설명할 수 있으며, 유형 IV는 1σ 수준에서 이타우 신호를 일치시킨다. 향후 e+e− 충돌기, 예를 들어 ILC는 정밀 쌍정도 측정을 통해 두 유형을 구별할 수 있다.

ABSTRACT

The CMS collaboration has recently reported the results of a low-mass Higgs-boson search in the di-photon final state based on the full Run 2 data set with refined analysis techniques. The new results show an excess of events at a mass of about 95 GeV with a local significance of 2.9σ, confirming a previously reported excess at about the same mass and similar significance based on the first-year Run 2 plus Run 1 data. The observed excess is compatible with the limits obtained in the corresponding ATLAS searches. In this work, we discuss the di-photon excess and show that it can be interpreted as the lightest Higgs boson in the Two-Higgs doublet model that is extended by a complex singlet (S2HDM) of Yukawa types II and IV. We show that the second-lightest Higgs boson is in good agreement with the current LHC Higgs-boson measurements of the state at 125 GeV, and that the full scalar sector is compatible with all theoretical and experimental constraints. Furthermore, we discuss the di-photon excess in conjunction with an excess in the $b\bar{b}$ final state observed at LEP and an excess observed by CMS in the di-tau final state, which were found at comparable masses with local significances of about 2σ and 3σ, respectively. We find that the $b\bar{b}$ excess can be well described together with the di-photon excess in both types of the S2HDM. However, the di-tau excess can only be accommodated at the level of 1σ in type IV. We also comment on the compatibility with supersymmetric scenarios and other extended Higgs sectors, and we discuss how the potential signal can be further analyzed at the LHC and at future $e^+e^−$ colliders.

연구 동기 및 목표

• CMS 이광자 초과 현상이 확장된 힉스 섹터 내에서 가벼운 힉스 보손으로 설명될 수 있는지 분석한다.
• 복소 단일 상태를 가진 S2HDM가 동일한 질량에서 관측된 이광자, b¯b, 이타우 초과 현상을 동시에 설명할 수 있는지 테스트한다.
• S2HDM가 현재의 LHC 힉스 측정치와 이론적 제약 조건과 얼마나 호환되는지 평가한다.
• 향후 e+e− 충돌기에서 유형 II와 IV를 어떻게 구별할 수 있는지 평가한다.
• 관측된 신호 강도 µexp_γγ = 0.33+0.19−0.12가 S2HDM 프레임워크 내에서 BSM 설명과 일치하는지 확인한다.

제안 방법

• S2HDM는 복소 단일 상태 필드로 확장되어 다섯 개인 물리적 힉스 상태를 가진 전체 스칼라 섹터를 도입한다.
• 유형 II와 IV에서 두 힉스 이중체에 유형에 따라 양자수 쌍정도를 할당하여, 맛 변화 중성미소 상호작용을 억제한다.
• 125 GeV 힉스 보손 측정치(신호 강도 및 쌍정도 포함)와의 호환성을 요구함으로써 모형을 제약한다.
• 단위성, 진공 안정성, 그리고 정규성 등의 이론적 제약 조건을 매개변수 공간에 적용한다.
• 이광자 신호 강도는 µexp_γγ = σexp(gg →ϕ→γγ)/σSM(gg →H→γγ)로 계산되며, 전체 Run 2 데이터에서 µexp_γγ = 0.33+0.19−0.12로 측정되었다.
• 향후 충돌기 전망은 ILC250의 250 GeV에서 2 ab−1 통합 루미너시티를 가진 프로젝션된 데이터를 사용하여 힉스 쌍정도를 백분율 수준의 정밀도로 측정할 수 있음을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 S2HDM에 복소 단일 상태를 추가한 모형에서 95 GeV 이광자 초과 현상이 일관되게 설명될 수 있는가? 이는 125 GeV 힉스 보손과의 호환성을 유지하는가?
• RQ2 S2HDM 유형 II와 IV가 동시에 95 GeV에서 관측된 이광자, b¯b, 이타우 초과 현상을 어느 정도 잘 설명할 수 있는가?
• RQ3 S2HDM가 업데이트된 CMS 신호 강도 µexp_γγ = 0.33+0.19−0.12와 얼마나 호환되는가?
• RQ4 향후 e+e− 충돌기, 예를 들어 ILC는 95 GeV 초과 현상의 맥락에서 유형 II와 IV를 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ5 현재 LHC 힉스 쌍정도 측정치는 95 GeV 초과 현상을 설명하는 S2HDM 매개변수 포인트에 의해 SM 예측에서 얼마나 벗어나는가?

주요 결과

• 복소 단일 상태를 가진 S2HDM는 µexp_γγ = 0.33+0.19−0.12로 업데이트된 신호 강도를 잘 설명하며, 두 유형 II와 IV 모두에서 일관된 기술을 제공한다.
• S2HDM에서 두 번째로 가벼운 힉스 보손은 신호 강도와 쌍정도를 포함한 125 GeV 힉스 보손의 측정된 성질과 양호한 일치를 보인다.
• 모델은 관련 매개변수 공간 전역에서 단위성, 진공 안정성, 정규성 등의 모든 이론적 제약 조건을 충족한다.
• 95 GeV에서 LEP b¯b 초과 현상은 S2HDM 유형 II와 IV 모두에서 잘 기술되며, 관측된 2σ의 의미 수준과 일치한다.
• CMS 이타우 초과 현상은 S2HDM 유형 IV에서 오직 1σ 수준에서만 호환되며, 최대 신호 강도는 전체 기술을 위한 강도를 충족하지 못한다.
• 2 ab−1 루미너시티를 가진 ILC250는 95 GeV 상태의 쌍정도를 백분율 수준의 정밀도로 측정하고, 힉스 쌍정도 측정을 통해 S2HDM 유형 II와 IV를 구별할 수 있다.