[论文解读] 95.4 GeV diphoton excess at ATLAS and CMS

Thomas Biekötter, S. Heinemeyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 58被引用 3

一句话总结

本文研究了ATLAS与CMS在Run 2 LHC数据中观测到的95.4 GeV双光子衰变过剩，提出该现象源于一个在Yukawa类型II与IV下扩展的复单重态（S2HDM）中的轻希格斯玻色子。该模型成功解释了γγ末态中联合3.1σ的过剩，同时与所有其他希格斯扇区约束一致，并预测了与普朗克测量结果相符的原初暗物质密度。

ABSTRACT

The ATLAS Collaboration has recently reported the results of a low-mass Higgs-boson search in the diphoton final state based on the full Run 2 dataset. The results are based on an improved analysis with respect to the previous analysis, which included a part of the Run 2 data, with a substantially better sensitivity. The “model-dependent” search carried out by ATLAS shows an excess of events at a mass of about 95.4 GeV with a local significance of 1.7σ. The results are compatible with a previously reported excess at the same mass, but with somewhat higher significance of 2.9σ, from the CMS collaboration, also based on the full Run 2 dataset. Combining the two results (neglecting possible correlations), we find a signal strength of $μ_{γγ}^{ATLAS+CMS}$=0.24$_{-0.08}^{+0.09}$, corresponding to an excess of 3.1σ. In this work, we investigate the implications of this result, updating a previous analysis based solely on the CMS Run 2 data. We demonstrate that the ATLAS/CMS combined diphoton excess can be interpreted as the lightest Higgs boson in a Two-Higgs doublet model that is extended by a complex singlet (S2HDM) of Yukawa types II and IV, while being in agreement with all other experimental and theoretical constraints.

研究动机与目标

• 将ATLAS与CMS在Run 2数据中观测到的95.4 GeV双光子过剩解释为一种新的标量共振态。
• 评估该共振态是否可在扩展的希格斯扇区中一致描述，特别是具有复单重态的双希格斯双重态模型（S2HDM）。
• 确定该模型是否能同时解释双光子过剩、LEP观测到的b¯b过剩以及测量到的暗物质原初丰度。
• 评估该模型与现有希格斯耦合、味物理及电弱精确测量约束的相容性。

提出的方法

• 结合ATLAS与CMS在95.4 GeV处的双光子信号强度，得到联合信号强度µγγ = 0.24+0.09−0.08，对应3.1σ过剩。
• 在S2HDM参数空间中进行全局扫描，重点关注Yukawa类型II与IV，以识别能拟合双光子与b¯b过剩的基准点。
• 施加来自125 GeV标准模型类希格斯玻色子测量、电弱精确测量、味物理（如K⁰−K̄⁰混合）以及微扰幺正性的严格约束。
• 通过单重态分量评估暗物质原初密度，要求与普朗克卫星测量结果一致。
• 评估该模型在双Tau末态中产生信号的可行性，与CMS在95.4 GeV处观测到的2.6σ过剩进行比较。
• 以95.4 GeV处SM H→γγ的截面（126 pb）作为归一化参考，计算由观测与预期极限得出的信号强度µγγ。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS与CMS在95.4 GeV处的联合双光子过剩是否可在一个含复单重态的S2HDM中由单一新标量共振态一致解释？
• RQ2 Yukawa类型II或IV的S2HDM是否能同时解释双光子过剩、LEP的b¯b过剩以及观测到的暗物质原初丰度？
• RQ3 该模型在多大程度上可容纳CMS在95.4 GeV处观测到的双Tau过剩？该道道的信号强度上限为何？
• RQ4 S2HDM参数空间中是否存在满足所有实验约束（包括希格斯耦合与味物理）的基准点？
• RQ5 未来的LHC与e+e−对撞机实验能否通过耦合测量与直接搜寻将该S2HDM模型与标准模型区分开？

主要发现

• ATLAS与CMS在95.4 GeV处的联合双光子过剩对应的信号强度为µγγ = 0.24+0.09−0.08，对应3.1σ局部显著性。
• 含复单重态且Yukawa类型为IV的S2HDM可同时解释双光子过剩与LEP的b¯b过剩，同时预测的暗物质原初密度与普朗克测量结果一致。
• 在S2HDM类型II中，双光子与b¯b过剩可良好描述，但该模型无法在1σ水平内解释CMS的双Tau过剩。
• 对于S2HDM类型IV，双Tau道中可观测到显著的信号强度，但仍未达到完全解释CMS双Tau过剩所需的水平。
• 该模型在所有现有约束下均保持可行，包括希格斯耦合、味物理及电弱精确测量约束。
• 未来的高亮度LHC与e+e−希格斯工厂可通过直接探测95.4 GeV态并高精度测量125 GeV希格斯玻色子的耦合，对模型进行检验。