[论文解读] Can we have another light (~ 145 GeV) Higgs boson?

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出，CMS在LHC Run 1期间在145 GeV附近观测到的$ h' \to ZZ \to 4\ell $和$\gamma\gamma$衰变道中的过量信号，可通过$(B-L)$超对称模型（BLSSM）中的第二轻希格斯 boson 解释。该模型在MSSM基础上引入$U(1)_{B-L}$对称性，增加了额外的希格斯和右手中微子超多重态，从而在约145 GeV处产生$h'$玻色子，与观测到的过量信号一致，并解决了小层次问题。

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).

研究动机与目标

• 解释CMS在LHC Run 1期间于约145 GeV附近观测到的~2–3σ过量信号，该信号出现在$h' \to ZZ \to 4\ell$和$\gamma\gamma$衰变道中。
• 探讨非最小超对称性，特别是$(B-L)$超对称模型（BLSSM），是否能自然容纳质量约为145 GeV的第二轻希格斯玻色子。
• 通过引入（s）中微子质量修正项，解决MSSM中的小层次问题，使希格斯质量提升至超过MSSM的约130 GeV上限。
• 通过$U(1)_{B-L}$规范对称性和异常消除，提供一种基于逆见标机制的轻中微子质量生成机制。

提出的方法

• 通过引入两个SM单态的旋量希格斯超多重态$\chi_{1,2}$，扩展BLSSM，其标量分量通过真空期望值打破$U(1)_{B-L}$对称性。
• 引入三组SM单态的旋量超多重态$N_i$、$S_{1i}$、$S_{2i}$（$i=1,2,3$），以实现轻中微子质量的逆见标机制。
• 规范动能项在CP偶性中性希格斯场的平方质量矩阵中诱导混合，使最轻的$B-L$希格斯态$h'$的质量达到约145 GeV。
• 计算$pp \to h, h' \to ZZ \to 4\ell$和$\gamma\gamma$过程的信号强度与不变质量分布，与$\sqrt{s} = 8$ TeV和19.6 fb$^{-1}$亮度下的CMS数据进行比较。
• 评估$h'$对$\gamma\gamma$和$\gamma Z$的耦合，显示其增强效应与观测到的过量信号相容。
• 检验背景贡献，包括$Z \to 2\ell \gamma^* \to 4\ell$和连续$\gamma\gamma$过程，结果表明在两个道中，145 GeV处的$h'$峰均清晰可见。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非最小SUSY模型中，能否用新希格斯玻色子解释CMS在约145 GeV附近观测到的~2–3σ过量信号，该信号出现在$h' \to ZZ \to 4\ell$道？
• RQ2 $(B-L)$超对称模型（BLSSM）是否能为约145 GeV处的第二轻希格斯玻色子提供一个可行的框架，同时解决MSSM的小层次问题？
• RQ3 BLSSM能否同时通过逆见标机制解释轻中微子质量，并在$U(1)_{B-L}$规范场中实现异常消除？
• RQ4 BLSSM中$h' \to \gamma\gamma$信号增强是否与CMS数据中约137 GeV处的~2.9σ过量和145 GeV处的~2σ过量一致？
• RQ5 BLSSM能否在不违背$\gamma Z$及其他道现有约束的前提下，解释观测到的二光子和四轻子末态信号？

主要发现

• BLSSM预测存在一个质量约为145 GeV的第二轻希格斯玻色子$h'$，可解释CMS在$h' \to ZZ \to 4\ell$衰变道中观测到的过量信号。
• 对于$pp \to h' \to ZZ \to 4\ell$的不变质量分布，$m_{4\ell} \sim 145$ GeV处出现一个清晰的第三峰值，与CMS数据一致，且与SM背景明显不同。
• 在$\gamma\gamma$道中，该模型在~145 GeV处产生一个明显的峰，与CMS观测到的~2σ过量信号相符。
• 在BLSSM中，$h'$对光子的耦合被增强，使其在$\gamma\gamma$道中可被探测，尽管相比SM型希格斯玻色子灵敏度有所降低。
• 该模型通过引入（s）中微子质量修正项，将希格斯质量提升至约170 GeV，从而解决了MSSM的小层次问题，且与观测到的125 GeV希格斯玻色子质量一致。
• BLSSM通过逆见标机制自然地实现了轻中微子质量，其中右手中微子质量处于TeV量级，且满足$U(1)_{B-L}$异常消除条件。