[論文レビュー] A Model Independent Analysis of Higgs-boson pair production at the LHC

Chih-Ting Lu, Jung Chang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるヒッグス粒子対生成のモデルに依存しない解析を提示し、$HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 衰え経路を通じた三重ヒッグス自己結合定数の探査に注目している。$b\bar{b}$ と $\gamma\gamma$ の最終状態間の角度相関を用いることで、三角形図とボックス図を分離可能となり、14 TeV LHCおよび将来の100 TeV pp加速器でも、CP破れを示すトップクォークのヤウカフ項および $ttHH$ 項目が存在する状況においても、$\lambda_{3H}$ 結合定数への明確な感度が得られる。

ABSTRACT

Higgs-boson pair production is well known being capable to probe the trilinear self-coupling of the Higgs boson, which is one of the important ingredients of the Higgs sector itself. Pair production then depends on the top-quark Yukawa coupling $g_t^{S,P}$, Higgs trilinear coupling $\lambda_{3H}$, and a possible dim-5 contact-type $ttHH$ coupling $g_{tt}^{S,P}$, which may appear in some higher representations of the Higgs sector. We take into account the possibility that the top-Yukawa and the $ttHH$ couplings involved can be CP violating. We calculate the cross sections and the interference terms as coefficients of the square or the 4th power of each coupling $(g_t^{S,P}, \lambda_{3H}, g_{tt}^{S,P})$ at various stages of cuts, such that the desired cross section under various cuts can be obtained by simply inputing the couplings. We employ the $H H o \gamma\gamma b \bar b$ decay mode of the Higgs-boson pair to investigate the possibility of disentangle the triangle diagram from the box digram so as to have a clean probe of the trilinear coupling at the LHC. We found that the angular separation between the $b$ and $\bar b$ and that between the two photons is useful. We obtain the sensitivity reach of each pair of couplings at the 14 TeV LHC and the future 100 TeV pp machine. Finally, we also comment on using the $b\bar b au^+ au^-$ decay mode in Appendix.

研究の動機と目的

• LHCにおける三重ヒッグス自己結合定数 $\lambda_{3H}$ のモデルに依存しない探査。
• CP破れを示すトップクォークのヤウカフ項および $ttHH$ 項目のヒッグス対生成への影響の調査。
• $HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ における三角形図とボックス図の分離を角度相関を用いて行う。
• 14 TeV LHCおよび100 TeV未来のpp衝突機における $\lambda_{3H}$、$g_t^{S,P}$、$g_{tt}^{S,P}$ の感度到達域を定量化する。
• $b\bar{b} \mu^+ \mu^-$ 衰えモードが、解析の代替手段としてどれほど有効であるかを評価する。

提案手法

• 結合定数 $g_t^{S,P}$、$\lambda_{3H}$、$g_{tt}^{S,P}$ の二乗または四乗の係数として、断面積および干渉項を計算する。
• 角度分離変数を用いて、$HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 衰え経路を通じて、三角形図とボックス図の寄与を分離する。
• 信号の分離と結合定数感度の抽出を目的として、段階的な運動量カットを適用する。
• CP破れ位相がトップヤウカフ項および $ttHH$ 項目に与える影響を評価するため、これらの項にCP破れ位相を組み込む。
• シミュレートされた信号およびバックグラウンド過程を用いて、14 TeV LHCおよび100 TeV未来のpp衝突機における感度解析を実施する。
• さまざまなカット下での断面積に対する解析的式を導出し、結合定数の値を直接入力することで信号率を即座に得られるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三角形図とボックス図の干渉が存在する中で、LHCにおけるヒッグス対生成において三重ヒッグス自己結合定数 $\lambda_{3H}$ を明確に探査することは可能か？
• RQ2 トップヤウカフ項および $ttHH$ 項目のCP破れ位相が、$\lambda_{3H}$ の感度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 $b\bar{b}$ と $\gamma\gamma$ の最終状態間の角度相関は、どの程度まで三角形図とボックス図の寄与を分離可能か？
• RQ4 14 TeV LHCおよび100 TeV未来のpp衝突機における $\lambda_{3H}$、$g_t^{S,P}$、$g_{tt}^{S,P}$ の感度到達域はどの程度か？
• RQ5 $\gamma\gamma b\bar{b}$ と比較して、$b\bar{b} \mu^+ \mu^-$ 衰えモードは、ヒッグス自己結合定数の探査にどの程度有効か？

主な発見

• $b$ および $\bar{b}$ クォーク間、および2つの光子間の角度分離が、$HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ における三角形図とボックス図の分離に有効であることが示された。
• モデルに依存しないフレームワークにより、結合定数の値を入力するだけで、さまざまなカット下での断面積を直接計算可能となり、感度スキャンが効率的に行える。
• 三重ヒッグス自己結合定数 $\lambda_{3H}$ に対する感度は、14 TeV LHCでも達成可能であり、100 TeV未来のpp加速器では著しく向上する。
• 角度相関を用いる場合、$g_t^{S,P}$ および $g_{tt}^{S,P}$ のCP破れ位相が $\lambda_{3H}$ の探査能力を著しく低下させない。
• $b\bar{b} \mu^+ \mu^-$ 衰えモードは、より大きなバックグラウンドと低い角度分解能のため、三重結合定数の分離に $\gamma\gamma b\bar{b}$ よりも劣ると判明した。
• 両加速器エネルギーにおける三つの結合定数（$\lambda_{3H}$、$g_t^{S,P}$、$g_{tt}^{S,P}$）の定量的感度到達域が提供され、カット下での信号率について明示的な数値結果も得られた。