[论文解读] A 96 GeV Higgs Boson in the 2HDM plus Singlet

S. Heinemeyer, C. Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文在2HDM+Singlet框架（即2HDMS或N2HDM）下提出一个96 GeV的希格斯玻色子，以同时解释CMS探测到的3σ二光子过剩和LEP探测到的2σ反顶夸克过剩。研究表明，在两种模型中，最轻的CP偶性希格斯玻色子均可同时拟合这两个过剩，且满足所有LHC、Tevatron、LEP及理论约束。由于在ILC250上两种模型对96 GeV态的耦合预测完全相同，因此无法通过精确测量加以区分。

ABSTRACT

We discuss a $\sim 3\,\sigma$ signal (local) in the light Higgs-boson search in the diphoton decay mode at $\sim 96$ GeV as reported by CMS, together with a $\sim 2\,\sigma$ excess (local) in the $b \bar b$ final state at LEP in the same mass range. We interpret this possible signal as a Higgs boson in the 2 Higgs Doublet Model type II with an additional Higgs singlet, which can be either complex (2HDMS) or real (N2HDM). We find that the lightest CP-even Higgs boson of the two models can equally yield a perfect fit to both excesses simultaneously, while the second lightest state is in full agreement with the Higgs-boson measurements at $125$ GeV, and the full Higgs-boson sector is in agreement with all Higgs exclusion bounds from LEP, the Tevatron and the LHC as well as other theoretical and experimental constraints. We derive bounds on the 2HDMS and N2HDM Higgs sectors from a fit to both excesses and describe how this signal can be further analyzed at future $e^+e^-$ colliders, such as the ILC. We analyze in detail the anticipated precision of the coupling measurements of the $96$ GeV Higgs boson at the ILC. We find that these Higgs-boson measurements at the LHC and the ILC cannot distinguish between the two Higgs-sector realizations.

研究动机与目标

• 该论文旨在将CMS中96 GeV的二光子过剩与LEP中96 GeV的反顶夸克过剩解释为一个扩展希格斯谱系中的轻希格斯玻色子。
• 研究2HDM类型II附加一个实或复数单重态（即N2HDM或2HDMS）是否能同时解释这两个过剩。
• 评估整个希格斯谱系在LEP、Tevatron和LHC所有实验约束下的相容性。
• 评估未来e+e−对撞机（特别是ILC250）探测96 GeV希格斯玻色子耦合的潜力。
• 目标还包括确定2HDMS与N2HDM模型是否可通过未来对撞机的精确测量加以区分。

提出的方法

• 2HDMS与N2HDM模型通过不同规范对称性定义：2HDMS为Z3对称性，N2HDM为Z′2对称性，两者均在树图级别保持FCNC禁闭。
• 希格斯势能由两个双态与一个单重态构成，所有标量场均具有真空期望值（vevs）。
• 应用来自LEP、Tevatron和LHC的希格斯排除界限实验约束，包括125 GeV处的精确测量。
• 通过事件计数和显著性水平建模信号过剩：CMS二光子通道为3σ局部显著性，LEP反顶夸克通道为2.3σ局部显著性。
• 通过信号与背景比（S/B）、截面计算及耦合测量的不确定性传播，评估ILC250的灵敏度。
• 通过统计误差传播推导耦合不确定性：∆NS/NS ∝ √(NT) 与 ∆NB ∝ ϵsyst,B·NB，利用S/B估计相对精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 2HDM+Singlet框架（2HDMS或N2HDM）能否同时解释CMS中96 GeV的二光子过剩和LEP中反顶夸克过剩？
• RQ2 2HDMS与N2HDM中96 GeV希格斯玻色子的耦合预测是否完全相同，以至于未来对撞机无法加以区分？
• RQ3 在同时满足两个过剩及所有其他约束的前提下，2HDMS与N2HDM中希格斯谱系参数的限制范围是什么？
• RQ4 在ILC250上，96 GeV希格斯玻色子的耦合可被多精确地测量？
• RQ5 圈修正与本底估计不确定性在决定未来e+e−对撞机耦合测量精度中起什么作用？

主要发现

• 在2HDMS与N2HDM中，最轻的CP偶性希格斯玻色子均可高度一致地同时拟合CMS的3σ二光子过剩与LEP的2.3σ反顶夸克过剩。
• 两种模型中第二轻的希格斯态均与LHC中125 GeV希格斯玻色子的测量结果完全相容。
• 两种模型中的所有希格斯谱系均满足LEP、Tevatron和LHC的所有现有希格斯排除界限。
• 在ILC250上，两种模型对96 GeV希格斯玻色子与费米子及规范玻色子的耦合预测具有相近的精度。
• ILC250中96 GeV希格斯玻色子的信号与背景比（S/B）估计取保守值D = fh/fφ ≈ 3，可实现可测量的耦合精度。
• 由于两种模型对96 GeV希格斯玻色子的耦合预测完全相同，即使在高精度测量下，ILC250也无法区分2HDMS与N2HDM。