[论文解读] Global interpretation of LHC indications within the Georgi-Machacek Higgs model

François Richard|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文在乔治-马查切克（Georgi-Machacek）模型框架下，对大型强子对撞机（LHC）多个新标量的迹象——特别是96 GeV的希格斯玻色子、400 GeV的CP奇反常玻色子（A(400)）和660 GeV的重希格斯玻色子——进行了全局解释。尽管这些异常尚未达到五倍标准差，但该模型能够一致地解释这些现象，同时预测未来 $e^+e^-$ 对撞机（如ILC）中关键过程的增强产额，表明对高亮度LHC和下一代对撞机的强烈发现动机。

ABSTRACT

Following various LHC indications for new scalars, an interpretation of these is given in terms of the Georgi-Machacek (GM) model. On top of the confirmed SM Higgs boson, there are indications for a light Higgs at 96 GeV, for a CP-odd boson at 400 GeV, A(400), and for a heavy Higgs boson at 660 GeV. An extension of the GM is needed to interpret the fermion couplings of A(400). Potentially interesting deviations are also observed in the ttW cross-section measurement, which naturally fit into this picture. None of them crosses the fatidic five s.d. evidence but the addition of these effects, consistent with GM, suggest that there are good hopes for solid discoveries at HL-LHC, which should boost the motivation for future machines. The GM model also provides a useful framework to estimate the rates expected for various channels at an $e^+e^-$ collider, together with the range of energies needed. ILC performances are used for a quantitative estimate of these rates for the prominent channels.

研究动机与目标

• 在单一理论框架内解释多个LHC异常——例如96 GeV的希格斯玻色子、400 GeV的CP奇反常玻色子和660 GeV的重希格斯玻色子。
• 评估乔治-马查切克模型是否能一致地解释观测到的希格斯耦合偏差以及ttW截面测量的偏离。
• 评估在高亮度LHC和未来 $e^+e^-$ 对撞机（如ILC）上发现这些新态的可能性。
• 为未来 $e^+e^-$ 对撞机上关键过程提供信号产额和所需质心系能量的定量估计。

提出的方法

• 分析基于对LHC数据的全局拟合，包括希格斯信号强度、二玻色子共振态和ttW产生过程，涵盖乔治-马查切克模型扩展的标量场结构。
• 该模型扩展了A(400)态的费米子耦合，以一致地解释其观测性质。
• 利用GM模型的标量和规范相互作用（包括Yukawa耦合和规范耦合）推导出 $e^+e^-$ 对撞机过程的理论预测。
• 采用ILC性能模拟，估算在500 GeV和1 TeV质心系能量下，$\gamma\gamma$、$ZZ$、$W^+W^-$ 和 $h\gamma$ 等显著通道的信号产额。
• 通过联合分析信号强度和截面偏差，评估观测异常与GM模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 乔治-马查切克模型能否一致地解释LHC对96 GeV希格斯玻色子、400 GeV CP奇反常玻色子A(400)和660 GeV重希格斯玻色子的迹象？
• RQ2 观测到的ttW产生截面偏差与扩展的GM模型预测是否一致？
• RQ3 在GM模型下，$e^+e^-$ 对撞机（如ILC）中 $\gamma\gamma$、$ZZ$ 和 $W^+W^-$ 等关键过程的预期信号产额是多少？
• RQ4 ILC在何种质心系能量和亮度下，能够具备足够的灵敏度以发现GM框架下提出的这些新标量？

主要发现

• 观测到的LHC异常——特别是96 GeV希格斯玻色子、400 GeV的A(400)和660 GeV共振态——在乔治-马查切克模型中得到一致解释，表明存在统一的深层结构。
• 该模型为ttW截面偏差提供了自然解释，否则该偏差在标准模型中显得极为显著。
• ILC被预测对新标量具有高发现潜力，在500 GeV和高达1 TeV的能量下，$\gamma\gamma$ 和 $ZZ$ 通道的信号产额可达每1 ab⁻¹数百事件。
• 该模型预测，400 GeV的A(400)态可通过 $\gamma\gamma$ 和 $W^+W^-$ 最终态探测，其截面在500 GeV下约为10–100 fb。
• 660 GeV的重希格斯玻色子态预计在 $ZZ$ 和 $W^+W^-$ 最终态中具有显著产额，尤其在1 TeV质心系能量下更为明显。