[论文解读] The 28 GeV Dimuon Excess in Lepton Specific 2HDM

Ali Çiçi, Shaaban Khalil+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 42被引用 4

一句话总结

本文通过提出一种轻子特异性双 Higgs 双生模型（LS-THDM），研究了 CMS 在质子-质子碰撞中观测到的 28 GeV 二μ子衰变异常。该模型中，一个轻的 CP 奇异 Higgs 玻色子（A）衰变为二μ子。模型通过 A→μμ 衰变解释该异常，在 tanβ ≈ 12 且 mA ≈ 28 GeV 时，8 TeV 下最大显著性为 1.5σ，13 TeV 下为 2σ，同时受到 A→ττ 衰变通道和电弱精确测量数据的约束。

ABSTRACT

We explore the Higgs mass spectrum in a class of Two Higgs Doublet Models (THDMs) in which a scalar SU(2)_L doublet interacts only with quarks, while the second one interacts only with leptons. The spectrum includes two CP-even Higgs bosons, either of which can account for the SM-like Higgs boson, and the spectra involving light Higgs bosons receive strong impacts from the LEP results and the current collider analyses. We find that a consistent spectrum can involve a CP-odd Higgs boson as light as about 10 GeV, while the lightest CP-even Higgs boson cannot be lighter than about 55 GeV when m_A ~ 28 GeV. These analyses can rather bound the low tan beta region which can also accommodate an observed excess in dimuon events at m_mumu ~ 28 GeV. A lepton-specific class of THDMs (LS-THDM) can predict such an excess through A -> mu mu decays, while the solutions can be constrained by the A -> tau tau mode. After constraining the solutions with the consistent ranges of sigma(pp -> bbA -> bb tau tau), a largest excess at about 1.5 sigma at 8 TeV center of mass (COM) energy and 2 sigma at 13 TeV COM is observed for tan beta ~ 12 and m_A ~ 28 GeV in the sigma(pp -> bbA -> bb mu mu) events.

研究动机与目标

• 使用轻子特异性双 Higgs 双生模型（LS-THDM）解释在 8 和 13 TeV 中心系能量下 CMS 数据中观测到的 28 GeV 二μ子异常。
• 评估质量 ≈28 GeV 的轻 CP 奇异 Higgs 玻色子（A）作为二μ子共振源的可行性。
• 利用 A→ττ 衰变和电弱精确测量的实验限制约束 LS-THDM 的参数空间。
• 评估不同 tanβ 值和中心系能量下 pp→bbA→bbμμ 过程的信号显著性。
• 识别同时满足对撞机约束并重现观测异常的基准点。

提出的方法

• 构建一种具有 Z₂ 对称性的轻子特异性双 Higgs 双生模型（LS-THDM），该对称性禁止树图级味改变中性流，并确保 CP 奇异 Higgs（A）优先耦合至轻子。
• 推导 Higgs 玻色子（h₁, h₂, A）与费米子的等效 Yukawa 耦合，表明在大 tanβ 下 A→μμ 衰变被增强，而 A→bb 衰变被抑制。
• 应用 LEP 数据对 Higgs 与规范玻色子、底夸克和 τ 轻子耦合的限制，以约束混合角 αH 并实现类似对齐的行为。
• 计算信号截面 σ(pp→bbA→bbμμ) 并与观测异常进行比较，考虑 tanβ 和探测器灵敏度带来的抑制效应。
• 利用 A→ττ 衰变通道作为约束，设定 σ(pp→bbA→bbττ) ≤ 140 fb 的上限，以排除参数空间中大部分区域。
• 在六个情景下进行基准点分析，以识别在 8 和 13 TeV 下可观测信号强度的可行区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在轻子特异性双 Higgs 双生模型中，CMS 数据中观测到的 28 GeV 二μ子异常是否可由一个衰变为二μ子的轻 CP 奇异 Higgs 玻色子（A）解释？
• RQ2 在 8 和 13 TeV 下，哪些 tanβ 和 mA 的取值能重现 pp→bbA→bbμμ 过程中观测到的信号显著性？
• RQ3 A→ττ 衰变通道的限制如何约束 LS-THDM 模型的参数空间？
• RQ4 特别是对 αH 的电弱精确测量在多大程度上限制了混合角和轻 Higgs 状态的对齐行为？
• RQ5 高亮度 LHC（HL-LHC）是否能将探测范围扩展至信号强度被抑制但可能可探测的更高 tanβ 值？

主要发现

• 在 8 TeV 下，二μ子异常的最大观测显著性约为 1.5σ，在 13 TeV 中心系能量下为 2σ，此时 tanβ ≈ 12 且 mA ≈ 28 GeV。
• pp→bbA→bbμμ 通道中的信号强度随 tanβ 增加而呈二次方下降，当 tanβ > 17 时，显著性低于 0.5σ。
• A→ττ 衰变通道施加了严格的上限 σ(pp→bbA→bbττ) ≤ 140 fb，排除了观测到二μ子异常的参数空间的大部分区域。
• 当 mA ≈ 28 GeV 时，最轻的 CP 偶 Higgs 玻色子（h₁）质量不能低于约 55 GeV，这是由于 LEP 对 Higgs 耦合的限制。
• CP 奇异 Higgs 玻色子质量可低至约 10 GeV，但观测到的 28 GeV 二μ子异常要求 mA ≈ 28 GeV 且 tanβ ≈ 12 才能实现最大信号显著性。
• 基准点 6 满足对齐极限（αH ≈ 0），并与电弱精确数据一致；而点 1、3 和 4 位于 sin(αH) ≤ 0.3 边界附近。