[论文解读] The "96 GeV excess" in the N2HDM

T. Biekötter, M. Chakraborti+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

该论文提出，在具有实单重态的次最小2HDM（N2HDM）中，CMS探测到的96 GeV双光子衰变过量与LEP探测到的98 GeV b¯b过量可由同一个轻希格斯玻色子（h₁）共同解释。在类型II和类型IV的N2HDM中，该态通过与125 GeV的SM类希格斯玻色子混合而产生，且带电希格斯玻色子衰变为W±h₁是LHC和ILC实验的关键信号。该模型同时满足两个过量现象，并符合所有实验与理论约束。

ABSTRACT

The CMS collaboration reported an intriguing $\sim 3 \, \sigma$ (local) excess at $96\;$GeV in the light Higgs-boson search in the diphoton decay mode. This mass coincides with a $\sim 2 \, \sigma$ (local) excess in the $b\bar b$ final state at LEP. We present the interpretation of this possible signal as the lightest Higgs boson in the 2 Higgs Doublet Model with an additional real Higgs singlet (N2HDM). We show that the type II and type IV (flipped) of the N2HDM can perfectly accommodate both excesses simultaneously, while being in agreement with all experimental and theoretical constraints. The excesses are most easily accommodated in the type II N2HDM, which resembles the Yukawa structure of supersymmetric models. We discuss the experimental prospects for constraining our explanation via charged Higgs-boson decays at the LHC or direct production of the $\sim 96\,$GeV Higgs boson at a future lepton collider like the ILC.

研究动机与目标

• 解释CMS探测到的96 GeV双光子过量与LEP探测到的98 GeV b¯b过量的共存现象
• 探索具有实单重态的N2HDM是否能在实验与理论约束下同时容纳这两个过量
• 识别可行的实验信号，特别是带电希格斯玻色子衰变为W±h₁的信号，以在LHC与未来轻子对撞机上检验该模型
• 评估未来对撞机（如ILC）在发现或排除96 GeV希格斯玻色子方面的潜力

提出的方法

• 在N2HDM参数空间中进行了全局扫描，重点关注h₁在95–98 GeV、h₂在125.09 GeV，以及更重的h₃、A和H±
• 施加了来自HiggsBounds（对撞机限制）、HiggsSignals（信号强度）、味物理（MH± > 650 GeV）、电弱精确测量（S、T、U）以及微扰性的约束
• 使用N2HDECAY和SusHi计算了物理希格斯粒子谱的衰变宽度与截面
• 通过信号强度测量（µCMS与µLEP）检验模型是否与3σ的CMS双光子过量和2.3σ的LEP b¯b过量一致
• 计算了H± → W±h₁与H± → W±h₂的分支比作为MH±的函数，以识别可探测的衰变道
• 利用传统方法与反冲技术，评估了ILC的预期95%置信水平上限，并与扫描点进行比较

实验结果

研究问题

• RQ1 具有实单重态的N2HDM是否能同时解释CMS探测到的96 GeV双光子过量与LEP探测到的98 GeV b¯b过量？
• RQ2 在类型II与类型IV的N2HDM中，满足两个过量现象及所有实验约束的可行参数区域为何？
• RQ3 带电希格斯玻色子衰变为W±h₁如何成为LHC探测轻希格斯玻色子的关键发现通道？
• RQ4 基于信号强度与截面预期，ILC在多大程度上能排除或发现96 GeV希格斯玻色子？
• RQ5 在该情形下，偏斜参数S与T如何约束带电与CP奇异希格斯玻色子之间的质量关系？

主要发现

• 在类型II与类型IV的N2HDM中，该模型可在两个测量的1σ范围内同时容纳96 GeV双光子过量（µCMS ≈ 0.6 ± 0.2）与98 GeV b¯b过量（µLEP ≈ 0.117 ± 0.057）
• 轻希格斯玻色子h₁主要为单重态特征，其SM耦合通过与125 GeV希格斯玻色子h₂的混合获得
• 在类型II N2HDM中，同时拟合两个过量的点显示出H± → W±h₁分支比增强，当MH± ≈ 700–800 GeV时，BR(H± → W±h₁)可达约20%
• 所有在1σ范围内同时拟合两个过量的参数点，若假设信号偏离SM本底无偏差，则将被ILC的95%置信水平上限（使用反冲技术）所排除
• 该模型偏离了对齐极限，导致BR(H± → W±h₁)显著，即使在125 GeV共振区外，该信号也可在LHC上被探测
• 偏斜参数S与T不偏好或排斥拟合过量的点，表明与电弱精确测量数据无矛盾