[论文解读] $SU(2)_L$ triplet scalar as the origin of the 95 GeV excess?

Saiyad Ashanujjaman, Sumit Banik+4 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Jun 27, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文提出，一个 hypercharge 为 $Y=0$ 的 $SU(2)_L$ 三重态标量可解释 LHC 数据中观测到的 95 GeV 二光子过剩。该三重态的中性分量与标准模型希格斯玻色子弱混合，通过 Drell-Yan 产生过程 ($pp \to W^* \to HH^\pm$) 中带电希格斯玻色子圈图衰变为 $\gamma\gamma$，重现了信号强度，同时预测了独特的 $p_T$ 谱、伴随 $\tau\tau$ 和喷流，以及 $\tau\tau\nu\nu$ 最终态约 0.4 pb 的截面，还预测了 $W$ 玻色子质量的正向偏移。

ABSTRACT

We explore the possibility that an $SU(2)_L$ triplet scalar with hypercharge $Y=0$ is the origin of the $95\,$GeV diphoton excess. For a small mixing angle with the Standard Model Higgs, its neutral component has naturally a sizable branching ratio to $γγ$ such that its Drell-Yan production via $pp o W^* o H H^\pm$ is sufficient to obtain the desired signal strength, where $H^\pm$ is the charged Higgs component of the triplet. The predictions of this setup are: 1) The $γγ$ signal has a $p_T$ spectrum different from gluon fusion but similar to associated production. 2) Photons are produced in association with tau leptons and jets, but generally do not fall into the vector-boson fusion category. 3) The existence of a charged Higgs with $m_{H^\pm}\approx\!(95\pm5)\,$GeV leading to $σ(pp o ττνν)\approx0.4\,$pb, which is of the same level as the current limit and can be discovered with Run 3 data. 4) A positive definite shift in the $W$ mass as suggested by the current global electroweak fit.

研究动机与目标

• 通过引入一个 $SU(2)_L$ 三重态标量扩展标准模型，以解释 LHC 数据中观测到的 95 GeV 二光子过剩。
• 探讨 $Y=0$ 三重态标量在满足微扰幺正性和真空稳定性前提下，解决二光子过剩的可行性。
• 预测与全局电弱拟合一致的对撞机信号，如 $\gamma\gamma$、$\tau\tau\nu\nu$ 和 $W$ 玻色子质量偏移。
• 评估该模型与 LHC 约束的兼容性，特别是对多重电荷标量的约束。
• 证明该三重态模型可自然产生观测到的信号强度，而无需依赖大耦合常数。

提出的方法

• 利用一个 $Y=0$ 的 $SU(2)_L$ 三重态标量，并通过与标准模型希格斯玻色子的微小混合角 $\alpha$，实现 $H \to \gamma\gamma$ 衰变，其机制为带电希格斯玻色子圈图。
• 计算 Drell-Yan 产生截面 $pp \to W^* \to HH^\pm$，以重现观测到的二光子信号强度。
• 引入微扰幺正性和真空稳定性约束，以限制允许的参数空间。
• 模拟 $\gamma\gamma$ 最终态的 $p_T$ 谱，以与胶胶融合和关联产生过程相区分。
• 使用蒙特卡洛工具（PYTHIA、DELPHES）和有效场论技术，对对撞机现象学进行建模。
• 将预测的 $\sigma(pp \to \tau\tau\nu\nu)$ 与当前 LHC 限制及 Run 3 敏感度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个 $Y=0$ 的 $SU(2)_L$ 三重态标量能否重现 LHC 数据中观测到的 95 GeV 二光子过剩？
• RQ2 该三重态衰变产生的 $\gamma\gamma$ 最终态中，其独特的 $p_T$ 谱和喷流/τ 轻子相关性为何？
• RQ3 在 Run 3 LHC 的当前灵敏度下，$H^\pm$ 衰变产生的 $\tau\tau\nu\nu$ 最终态是否可观测？
• RQ4 该模型是否预测了与当前全局电弱拟合一致的 $W$ 玻色子质量正向偏移？
• RQ5 尽管存在一个约 95 GeV 的中性态，该模型是否仍能避开 LHC 对多重电荷标量的强约束？

主要发现

• 该三重态产生的 $\gamma\gamma$ 信号具有与胶胶融合不同的 $p_T$ 谱，但与关联产生过程相似，提供了关键区分依据。
• 光子与 $\tau$ 轻子及喷流关联产生，但不呈现向量玻色子融合的拓扑结构，从而支持基于信号的区分。
• 该模型预测 $m_{H^\pm} \approx 95 \pm 5$ GeV 时，$\sigma(pp \to \tau\tau\nu\nu) \approx 0.4$ pb，处于 Run 3 LHC 数据的探测能力范围内。
• 该模型预测了 $W$ 玻色子质量的正向偏移，与由 CDF II 测量驱动的当前全局电弱拟合一致。
• 参数空间受微扰幺正性和真空稳定性约束，允许区域已在 $\alpha$-$\Delta_m$ 平面中被识别。
• 由于质量谱非 degenerate 且通过衰变为虚 $W$ 玻色子发生级联衰变，该模型避开了对多重电荷标量的强 LHC 约束。