[論文レビュー] Accumulating Evidence for the Associated Production of a New Higgs Boson at the Large Hadron Collider

Andreas Crivellin, Y. Fang+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、LHCのATLASおよびCMSデータを統合した結果、151.5 GeVの質量を持つ新しいスカラー・ヒッグス粒子Sの存在を示唆する。この粒子Sは、光子、Zボソン、または欠落エネルギーとともに生成されると想定される。この状態のグローバルな有意水準は3.9σ（局所的有意水準4.3σ）であり、標準模型を超える新しい物理学の強い兆候であり、ダークマターと関連する可能性があり、マルチレプトン異常を説明する手がかりを示している。

ABSTRACT

In the last decades, the Standard Model (SM) of particle physics has been extensively tested and confirmed, with the announced discovery of the Higgs boson in 2012 being the last missing puzzle piece. Even though since then the search for new particles and interactions has been further intensified, the experiments ATLAS and CMS at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN did not find evidence for the direct production of a new state. However, in recent years deviations between LHC data and SM predictions in multiple observables involving two or more leptons (electrons or muons) have emerged, the so-called ``multi-lepton anomalies'', pointing towards the existence of a beyond the SM Higgs boson $S$. While from these measurements its mass cannot be exactly determined, it is estimated to lay in the range between $130\,$GeV and $160\,$GeV. Motivated by this observation, we perform a search for signatures of $S$, by using existing CMS and ATLAS analyses. Combining channels involving the associate productions of SM gauge bosons ($γγ$ and $Zγ$), we find that a simplified model with a new scalar with $m_S= 151.5\,$GeV is preferred over the SM hypothesis by 4.3$σ$ (3.9$σ$) locally (globally). On the face of it, this provides a good indication for the existence of a new scalar resonance $S$ decaying into photons, in association with missing energy and allows for a connection to the long-standing problem of Dark Matter. Furthermore, because $S$ is always produced together with other particles, we postulate the existence of a second new (heavier) Higgs boson $H$ that decays into $S$ and propose novel searches to discover this particle, which can be performed by ATLAS and CMS.

研究の動機と目的

• LHCにおけるマルチレプトン最終状態の異常が、標準模型を超える新しい物理学を示唆するかを調査すること。
• これらの異常が、質量151.5 GeVの新しいスカラー・ヒッグス粒子Sが光子やZボソンに崩壊することによって説明可能かどうかを検証すること。
• SMヒッグス粒子探索チャネルの既存のATLASおよびCMS解析を再解釈し、Sの証拠を探索すること。
• Sに崩壊するより重いヒッグス粒子Hの新しい探索戦略を、関連生成のシグネチャに基づいて提案すること。
• 観測されたシグナルが、ダークマターおよび異常なミュオンg-2といった未解決の問題とどのように関連するかを明らかにすること。

提案手法

• 著者らは、γγ、Zγ、bb̄、ℓℓγ、および欠落エネルギー最終状態を含む、複数のLHC探索チャネルにおける統合的統計的フィットを実行した。
• mS = 151.5 GeVを有する新しいスカラーSのための既存のATLASおよびCMSのSMヒッグス粒子探索解析を再解釈した。
• 背景は、新しい物理学の寄与を考慮して再フィットされ、信号テンプレートは簡略化モデルから導出された。
• 有意水準の計算には、両実験の結果を統合するためのグローバル・プロファイル尤度アプローチを用いた。
• S → bb̄崩壊モードとBr(H → Sh)を調べるため、γγbb̄ や τ⁺τ⁻bb̄ といった非対称最終状態の提案がなされた。
• 130–160 GeVの範囲におけるフィットが行われ、151.5 GeV付近の過剰と138 GeV付近のわずかな過剰に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCデータで観測されたマルチレプトン異常は、約150 GeVの質量を持つ新しいスカラー・ヒッグス粒子Sによって説明可能か？
• RQ2 既存のATLASおよびCMSデータに、Sが光子、Zボソン、または欠落エネルギーとともに生成される兆候が存在するか？
• RQ3 複数の崩壊チャネルの統合解析を用いて、新しいスカラーSの信号強度と有意水準を定量化できるか？
• RQ4 観測された過剰が、Sに崩壊するより重いヒッグス粒子Hの存在にどのような意味を持つのか？
• RQ5 新しいスカラーSは、ダークマターや異常なミュオンg-2といった他の未解決現象と関連づけられるか？

主な発見

• 質量151.5 GeVの新しいスカラー粒子Sは、標準模型仮説よりも優位であり、局所的有意水準4.3σ、グローバル有意水準3.9σを示した。
• 信号は特にγγおよびZγ最終状態で顕著であり、Sが光子および関連する欠落エネルギーに崩壊する傾向が顕著に強く支持された。
• 138 GeV付近にわずかな過剰が観測されたが、これが確認されれば151.5 GeVの信号の有意水準をさらに高める可能性がある。
• S → bb̄崩壊モードは可能ではあるが必須ではないと判明し、γγbb̄ や τ⁺τ⁻bb̄ といった非対称探索がその検証に提案された。
• 結果は、より重いヒッグス粒子HがSおよびSMヒッグス粒子に崩壊するシナリオと整合的であり、マルチレプトン異常を説明するメカニズムを提供する。
• また、右カラーニュートリノを含む2HDM+Sモデルを通じて、ダークマターや異常なミュオンg-2の説明への道筋が開かれた。