[论文解读] A 95 GeV Higgs Boson in the Georgi-Machacek Model

Ting-Kuo Chen, Cheng-Wei Chiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 99被引用 2

一句话总结

本文提出，CMS 和 ATLAS 在二光子衰变中观测到的 95 GeV 希格斯玻色子可能在乔吉-马查切克（Georgi-Machacek, GM）模型中得到解释，该模型是标准模型的一个可重整化扩展，包含希格斯三重态。该模型通过双荷希格斯玻色子的圈图贡献，自然地容纳了一个轻希格斯玻色子，使其具有增强的二光子衰变分支比，同时保持树图层级的 ρ 参数。观测到的 95 GeV 二光子过剩信号（信号强度 μγγ ≈ 0.24）在 GM 框架下得到良好描述，预测双荷希格斯玻色子质量在 100–200 GeV 范围内，为未来 LHC 搜索提供了动力。

ABSTRACT

CMS and ATLAS have reported small excesses in the search for low-mass Higgs bosons in the di-photon decay channel at exactly the same mass, $95.4~$GeV. These searches rely on improved analysis techniques, enhancing in particular the discrimination against the $Z o e^+e^-$ background. In models beyond the Standard Model (SM) that extend the Higgs sector with triplets, doubly-charged Higgs bosons are predicted which can contribute substantially to the di-photon decay rate of a light Higgs boson. The Georgi-Machacek (GM) Model is of particular interest in this context, since despite containing Higgs triplets it preserves the electroweak $ρ$-parameter to be$~$1 at the tree level. We show that within the GM model, a Higgs boson with a mass of $\sim 95~$GeV with a di-photon decay rate as observed by CMS and ATLAS can be well described. 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 have been found at comparable masses with local significances of about $2σ$ and $3σ$, respectively. The presence of a Higgs boson at about $95~$GeV within the GM model would imply good prospects of the searches for additional light Higgs bosons. In particular, the observed excess in the di-photon channel would be expected to be correlated in the GM model with a light doubly-charged Higgs boson in the mass range between $100~$GeV and $200~$GeV, which motivates dedicated searches in upcoming LHC Runs.

研究动机与目标

• 在可重整化的标准模型之外（BSM）理论框架内，解释 CMS 和 ATLAS 数据中观测到的 95 GeV 二光子共振过剩。
• 研究乔吉-马查切克模型是否能同时容纳 95 GeV 二光子过剩、LEP 反 b¯b 过剩以及 CMS 二 τ 亏损。
• 探讨在 GM 模型中，95 GeV 处轻希格斯玻色子的理论可行性，特别是其对 ρ 参数和希格斯 sector 结构的影响。
• 识别模型预测的新、可检验的信号，特别是 100–200 GeV 范围内的双荷希格斯玻色子。

提出的方法

• 分析采用乔吉-马查切克模型，即一个包含实 SU(2) 三重态希格斯场的可重整化标准模型扩展，该模型在树图层级保持 ρ 参数为 1。
• 通过模型预测的双荷希格斯玻色子圈图贡献，计算 95 GeV 希格斯玻色子的二光子衰变宽度。
• 利用现有的 LHC 和 LEP 数据对模型进行约束，包括 γγ、b¯b 和 ττ 最终态的信号强度，以及 top-夸克和 Z 玻色子关联产生过程的限制。
• 进行全局拟合，以评估与观测到的信号强度的一致性：μγγ ≈ 0.24（ATLAS+CMS 综合数据）、μbb ≈ 0.117（LEP）和 μττ ≈ 1.2（CMS）。
• 将模型预测与来自 top 关联和 Z 关联希格斯产生过程的实验限制，以及来自 e+e− → Zϕ → τ+τ− 的 LEP 数据进行比较。
• 在 GM 模型参数空间中进行数值扫描，以识别能够重现观测过剩且满足所有实验约束的可行参数区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 乔吉-马查切克模型能否通过单一标量态解释 CMS 和 ATLAS 同时观测到的 95 GeV 二光子共振过剩？
• RQ2 该模型是否能同时解释 LEP 反 b¯b 过剩和质量相近的 CMS 二 τ 亏损？
• RQ3 在 GM 模型中，为产生观测到的二光子衰变率，双荷希格斯玻色子的预测质量范围是多少？
• RQ4 GM 模型中希格斯三重态的存在如何影响 ρ 参数？树图层级的 1 值是否得以保持？
• RQ5 是否存在满足所有当前实验约束且能同时解释三个过剩现象的 GM 模型可行参数区域？

主要发现

• 乔吉-马查切克模型成功解释了观测到的 95 GeV 二光子过剩，其信号强度 μγγ ≈ 0.24，与 ATLAS 和 CMS 的综合数据一致。
• 该模型预测双荷希格斯玻色子质量位于 100–200 GeV 范围内，其质量与二光子衰变率密切相关，是未来 LHC 搜索的关键信号。
• 该模型同时容纳了 LEP 2.3σ 的 b¯b 最终态过剩（μbb ≈ 0.117）和 CMS 2.6σ 的 τ+τ− 最终态过剩（μττ ≈ 1.2），均位于 95 GeV 能量附近。
• 在 GM 模型中，树图层级的 ρ 参数保持为 1，确保了与电弱精确测量的一致性，尽管存在希格斯三重态。
• 该模型在顶夸克和 Z 玻色子关联希格斯产生过程的约束下依然可行，尽管与某些近期 CMS 限制存在张力。
• GM 模型中 95 GeV 希格斯玻色子的存在，为在即将开始的 LHC 运行中发现更多轻希格斯态（尤其是双荷希格斯玻色子）提供了良好前景。