[논문 리뷰] Can we have another light (~ 145 GeV) Higgs boson?

Shaaban Khalil, Stefano Moretti|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 CMS LHC 런 1에서 145 GeV 부근에서 관측된 $h' \to ZZ \to 4\ell$ 및 $\gamma\gamma$ 붕괴 채널에서의 초과 현상이 $(B-L)$ 초대칭 모형(BLSSM) 내에서 두 번째 경량 힉스 보손에 의해 설명될 수 있다고 제안한다. 이 모형은 MSSM에 $U(1)_{B-L}$ 대칭을 추가하여, 추가적인 힉스 및 오른쪽 수중성자 초대칭장을 도입함으로써 약 145 GeV에서 $h'$ 보손을 생성하며, 관측된 초과 현상과 일치하고 소형 히어arcy 문제를 해결한다.

ABSTRACT

A second light Higgs boson, with mass of approximately 145 GeV, is predicted by non-minimal Supersymmetric models. This new particle can account for an apparent \sim 3 σexcess recorded by the CMS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) during Run 1. We show how this can be explained in a particular realisation of these scenarios, the (B-L) Supersymmetric Model (BLSSM), which also has other captivating features, like offering an explanation for neutrino masses and relieving the small hierarchy problem of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM).

연구 동기 및 목표

• LHC 런 1 기간 동안 CMS 실험이 관측한 약 145 GeV 부근에서의 $h' \to ZZ \to 4\ell$ 및 $\gamma\gamma$ 붕괴 채널에서의 약 2–3σ의 초과 현상을 설명하기 위해.
• 비최소 초대칭성, 특히 $(B-L)$ 초대칭 모형(BLSSM)이 약 145 GeV의 질량을 가진 두 번째 경량 힉스 보손을 자연스럽게 수용할 수 있는지 탐구하기 위해.
• MSSM의 소형 히어arcy 문제를 해결하기 위해 (s)중성자 질량 보정을 도입하여 힉스 질량을 MSSM의 상한 약 130 GeV를 초월하도록 끌어올리는 것.
• U(1)_{B-L} 게이지 대칭과 이상성 제거 조건을 만족시키는 동시에 경량 중성자 질량을 제공하는 메커니즘을 제시하기 위해.

제안 방법

• U(1)_{B-L} 대칭의 깨짐을 위해 진공 기대값을 통해 $U(1)_{B-L}$ 대칭을 깨는 두 개의 SM 싱เก트르 힉스 초대칭장 $\chi_{1,2}$ 를 도입함으로써 BLSSM을 확장한다.
• 경량 중성자 질량을 위한 역-시소 메커니즘을 실현하기 위해 세 쌍의 SM 싱게트르 초대칭장 $N_i$, $S_{1i}$, $S_{2i}$ (i=1,2,3) 를 도입한다.
• 게이지 운동에너지 항이 CP-불변 중성 힉스 필드의 질량 제곱 행렬에서 혼합을 유도함으로써, 가장 가벼운 $B-L$ 힉스 상태인 $h'$ 가 약 145 GeV의 질량을 가질 수 있도록 한다.
• 모형은 $\sqrt{s} = 8$ TeV 및 19.6 fb$^{-1}$ 루미너스에서 CMS 데이터와 비교하여 $pp \to h, h' \to ZZ \to 4\ell$ 및 $\gamma\gamma$ 에서의 신호 강도와 진동 질량 분포를 계산한다.
• $h'$ 가 $\gamma\gamma$ 와 $\gamma Z$ 에 붕괴하는 결합 상수를 평가하여, 관측된 초과 현상과 호환되는 잠재적 증폭을 보여준다.
• 백그라운드 기여인 $Z \to 2\ell \gamma^* \to 4\ell$ 와 연속체 $\gamma\gamma$ 과정을 고려하여 모형을 시험하였으며, 두 채널 모두에서 145 GeV 부근에 명확한 $h'$ 피크가 관측되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 145 GeV 부근에서의 $h' \to ZZ \to 4\ell$ 채널에서 관측된 약 2–3σ의 초과 현상이 비최소 초대칭 모형 내의 새로운 힉스 보손에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 $(B-L)$ 초대칭 모형(BLSSM)이 소형 히어arcy 문제를 해결하면서도 약 145 GeV 부근에 두 번째 경량 힉스 보손을 자연스럽게 수용할 수 있는가?
• RQ3 BLSSM가 $U(1)_{B-L}$ 영역에서 이상성 제거 조건과 함께 역-시소 메커니즘을 통해 경량 중성자 질량을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ4 BLSSM에서의 $h' \to \gamma\gamma$ 신호 강도 증폭이 CMS 데이터에서 137 GeV 부근에서의 약 2.9σ 초과와 145 GeV 부근에서의 약 2σ 초과와 일치하는가?
• RQ5 BLSSM가 $\gamma Z$ 및 기타 채널과의 충돌 없이 관측된 이중 광자 및 네 렙톤 최종 상태 신호를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• BLSSM는 약 145 GeV의 질량을 가진 두 번째 경량 힉스 보손 $h'$ 를 예측하며, 이는 CMS에서 관측된 $h' \to ZZ \to 4\ell$ 붕괴 채널의 초과 현상을 설명할 수 있다.
• $pp \to h' \to ZZ \to 4\ell$ 의 진동 질량 분포는 $m_{4\ell} \sim 145$ GeV 부근에 명확한 세 번째 피크를 보이며, 이는 표준모형 배경과 일치하고 구별된다.
• $\gamma\gamma$ 채널에서는 약 145 GeV 부근에 명확한 피크가 생성되어 CMS에서 보고한 약 2σ의 초과 현상과 일치한다.
• BLSSM에서 $h'$ 가 광자와의 결합 상수가 증폭되어, 표준모형의 힉스 보손보다 감도가 낮더라도 $\gamma\gamma$ 채널에서 탐지 가능하다.
• 모형은 (s)중성자 질량 보정을 도입함으로써 MSSM의 소형 히어arcy 문제를 해결하며, 힉스 질량을 약 170 GeV까지 끌어올려 관측된 125 GeV의 힉스 질량과 일치한다.
• BLSSM는 오른쪽 수중성자가 테바 스케일에 위치하고 $U(1)_{B-L}$ 이상성 제거 조건을 만족시키는 조건에서 역-시소 메커니즘을 통해 자연스럽게 경량 중성자 질량을 제공한다.