[논문 리뷰] Two Higgs Bosons at the Tevatron and the LHC?

G. Bélanger, Ulrich Ellwanger외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 30인용 수 17

한 줄 요약

논문은 LHC에서 발견된 125 GeV 힉스 보손 외에 두 번째 힉스 보손이 존재할 경우, 테바트론의 $b\bar{b}$ 신호와 CMS의 136 GeV 부근에서 관측된 $\gamma\gamma$ 및 $\tau\tau$ 초과 현상을 설명할 수 있다고 제안한다. NMSSM에서 이중자-싱글렛 상태의 혼합은 125 GeV에서 $\gamma\gamma$ 채널의 신호 강도를 증가시키며, 136 GeV에 위치한 두 번째 CP-대칭 힉스 보손은 테바트론의 $b\bar{b}$ 초과 현상과 CMS의 $\gamma\gamma$ 신호를 설명한다. 여러 채널 간의 일관된 신호 강도가 유지된다.

ABSTRACT

The best fit to the Tevatron results in the bb channel and the mild excesses at CMS in the gamma-gamma channel at 136 GeV and in the tau-tau channel above 132 GeV can be explained by a second Higgs state in this mass range, in addition to the one at 125 GeV recently discovered at the LHC. We show that a scenario with two Higgs bosons at 125 GeV and 136 GeV can be consistent with practically all available signal rates, including a reduced rate in the tau-tau channel around 125 GeV as reported by CMS. An example in the parameter space of the general NMSSM is given where, moreover, the signal rates of the 125 GeV Higgs boson in the gamma-gamma channels are enhanced relative to the expectation for a SM Higgs boson of this mass.

연구 동기 및 목표

• 테바트론의 약 135 GeV에서의 $b\bar{b}$ 신호와 CMS의 136 GeV 부근에서의 $\gamma\gamma$ 및 $\tau\tau$ 초과 현상이 두 번째 힉스 보손의 존재를 시사하는 것으로 설명하는 것.
• 표준모형(SM) 예측과 불일치하는 125 GeV에서의 증가된 $\gamma\gamma$ 채널의 신호 강도와 VBF 사건에서 감소된 $\tau\tau$ 채널의 신호 강도를 동시에 설명하는 것.
• 일반 NMSSM에서 두 개의 힉스 상태(125 GeV 및 136 GeV)가 동시에 여러 LHC 및 테바트론의 신호 강도 측정치를 만족시키는 타당한 시나리오를 구성하는 것.
• 이러한 이중 힉스 시나리오가 반제약적 NMSSM에서 실현 가능한지, 직접 탐색 및 $B$-물리학 제약 조건과 일관된 결합 상수를 갖는지 테스트하는 것.

제안 방법

• 관측된 생산 및 붕괴 강도와 기대되는 강도를 비교하기 위해 표준모형 힉스 보손에 대한 상대적 감소된 신호 강도 $R_i^X(Y)$를 정의한다.
• SU(2) 이중자와 싱글렛 힉스 상태 간의 혼합을 고려한 NMSSM 프레임워크를 사용하여 125 GeV에서 $\gamma\gamma$ 결합 강도를 증가시킨다.
• 125 GeV에서 $H_1 \sim 125$ GeV, 136 GeV에서 $H_2 \sim 136$ GeV가 되는 일반 NMSSM의 매개변수 점을 구성하며, 실험 데이터와 일치하도록 결합 상수를 조정한다.
• $B$-물리학, 직접 힉스 탐색(예: $H_3 \sim 290$ GeV), 그리고 $ggF$, $VBF$, $VH$ 채널의 신호 강도 측정치로부터 제약 조건을 적용한다.
• NMSSMTools 3.2.0을 사용하여 실험적 제약 조건과 이론적 제약 조건과의 일관성을 점검한다.
• 반제약적 NMSSM에서 시나리오의 타당성을 평가하며, 예측된 신호 강도를 관측된 편차와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테바트론의 약 135 GeV에서의 $b\bar{b}$ 신호와 CMS의 136 GeV 부근에서의 $\gamma\gamma$ 초과 현상은 125 GeV 상태 외에 두 번째 힉스 보손으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 비표준모형(Higgs) 구조에서 125 GeV에서 증가된 $\gamma\gamma$ 채널의 신호 강도와 VBF 사건에서 감소된 $\tau\tau$ 채널의 신호 강도를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ3 125 GeV 및 136 GeV에 위치한 두 개의 힉스 상태가 여러 채널에서 관측된 신호 강도를 재현할 수 있는 NMSSM 매개변수 공간 내의 타당한 점이 존재하는가?
• RQ4 이러한 시나리오는 반제약적 NMSSM에서 실현 가능할 수 있는가, 아니면 $B$-물리학 및 직접 탐색 제약 조건이 너무 엄격한가?

주요 결과

• 125 GeV에서 $H_1 \sim 125$ GeV, 136 GeV에서 $H_2 \sim 136$ GeV인 이중 힉스 시나리오는 테바트론의 $b\bar{b}$ 신호, CMS의 136 GeV에서의 $\gamma\gamma$ 초과 현상, 그리고 VBF 사건에서 125 GeV에서 감소된 $\tau\tau$ 채널의 신호 강도를 모두 설명할 수 있다.
• 일반 NMSSM에서 이중자와 싱글렛 힉스 상태 간의 강한 혼합은 125 GeV 힉스 보손의 $\gamma\gamma$ 결합 강도를 증가시켜 그 증가된 신호 강도를 설명한다.
• 125 GeV에서 $\tau\tau$ 채널의 감소된 신호 강도는 $\tau\tau$ 결합의 억제로 설명되며, CMS의 VBF 태깅 데이터와 일관된다.
• 테바트론에서의 $VH \to bb$ 채널의 신호 강도는 $R_{\rm eff}^{bb}(VH) \sim 1.20$로 증가하여 관측된 초과 현상과 약 2σ 이내에서 일치한다.
• 반제약적 NMSSM에서는 모든 제약 조건을 동시에 만족하는 타당한 점이 존재하지 않으며, 최소한 $R_1^{\gamma\gamma}(ggF)$, $R_2^{\gamma\gamma}(ggF)$, 또는 $R_2^{ZZ^{(*)}}(ggF)$ 중 하나는 완화되어야 한다.
• 중간 질량의 힉스 보손 $H_3 \sim 290$ GeV는 게이지 보손과의 결합이 억제되어 있으며, 낮은 $\tan\beta$ 조건에서 직접 탐색 및 $B$-물리학 제약 조건과 일관된다.