[論文レビュー] An Exploratory study of Higgs-boson pair production

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

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、LHCおよび将来の100 TeV pp衝突機におけるヒッグス粒子対生成を調査し、γγb\bar{b}崩壊モードにおける角度相関を用いて、トップクォークのユカワ結合と次元5のttHH接触結合からヒッグス粒子の三重項自己結合を分離することを目的としている。主な結果として、断面積測定の不確実性が25%未満の場合、非ゼロの三重項結合は統計的に検出可能であり、標準模型に類似した断面積に対して、感度は0.3 ≲ |λ_{3H}| ≲ 2.6に達する。

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 $λ_{3H}$, 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 $(g_t^{S,P}, λ_{3H}, g_{tt}^{S,P})$ 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 $H H o γγb \bar b$ 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 $b\bar b τ^+ τ^-$ decay mode in Appendix.

研究の動機と目的

• ヒッグス自己結合λ_{3H}をプローブすること。これは、ヒッグス系の重要な特徴ではあるが、まだ測定されていない。
• ヒッグス粒子対生成における三角形（ヒッグス自己結合）図とボックス（ユカワ結合のみ）図の寄与を分離すること。
• 14 TeV LHCおよび将来の100 TeV pp加速器におけるλ_{3H}、トップクォークのユカワ結合、およびttHH結合の感度を評価すること。CP違反成分を含む。
• γγb\bar{b}およびτ^+τ^- b\bar{b}崩壊モードが、ヒッグス粒子対生成における新しい物理をプローブする可能性を評価すること。

提案手法

• CP奇性成分を含む、ヒッグス三重項自己結合λ_{3H}、トップクォークのユカワ結合g_t^{S,P}、次元5のttHH接触結合g_{tt}^{S,P}を有効ラグランジアン法でモデル化する。
• 各結合の二乗または四乗の係数として断面積と干渉項を計算し、さまざまなカット条件における断面積予測が可能になるようにする。
• 信号の分離のために、HH → γγ b\bar{b}崩壊モードを用い、高エネルギー領域でのボックス図支配の抑制を目的として、角度分離変数ΔR_{γγ}およびΔR_{bb}を用いる。
• MADGRAPH v5を用いたモンテカルロシミュレーションにより、信号イベントをモデル化し、運動量分布を抽出する。
• インvariant質量M_{γγ b\bar{b}}および角度相関を分析し、三角形図とボックス図の寄与を区別する。
• 実際のカットと不確実性を想定した上で、14 TeV LHCおよび100 TeV pp加速器における感度の到達範囲を、信号率と標準模型予測の比較によって評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス粒子対生成において、三重項ヒッグス自己結合λ_{3H}は、トップクォークのユカワ結合およびttHH接触結合から分離可能か？
• RQ2 γγおよびbbの間の角度分離ΔR_{γγ}およびΔR_{bb}は、ボックス図からの寄与を分離するのにどの程度有効か？
• RQ3 断面積測定の不確実性が25%未満の場合、14 TeV LHCおよび100 TeV pp衝突機におけるλ_{3H}の感度の到達範囲は何か？
• RQ4 トップクォークのユカワ結合およびttHH結合にCP奇性成分が存在する場合、信号の観測可能性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 τ^+τ^- b\bar{b}崩壊モードは、γγb\bar{b}の代替として、ヒッグス自己結合をプローブするのに有効か？

主な発見

• ヒッグス粒子対の崩壊生成物間の角度分離ΔR_{γγ}およびΔR_{bb}は、エネルギー依存性の違いにより、sチャネルヒッグス粒子伝播子を伴う三角形図とボックス図を効果的に分離可能である。
• 14 TeV LHCでは、ΔR_{γγ} > 2領域において、三角形図対ボックス図の比は約1:2.8であり、100 TeVでは1:3.7に増加する。これは、高エネルギー領域における三角形図の抑制が確認されたことを示している。
• 断面積測定の不確実性が25%未満の場合、非ゼロの三重項結合λ_{3H}は統計的に検出可能であり、σ / σ_{\rm SM} = 1の場合、感度は0.3 ≲ |λ_{3H}| ≲ 2.6に達する。
• 次元5のオペレーターから生じるttHH接触相互作用は、√{\hat{s}} ≈ 17.6 / g_{tt}^{S} TeVでユニタリティを破るため、高インバリアント質量領域で支配的になる可能性がある。
• 結合が標準模型の値から著しく逸脱する場合、断面積は10倍にまで増加する可能性がある。例えば、特定の結合設定下ではλ_{3H} > 9またはλ_{3H} < -4の場合、σ / σ_{\rm SM} > 10となる。
• τ^+τ^- b\bar{b}崩壊モードはγγb\bar{b}より大きな分支比を持つが、τ粒子の識別および運動量分解能の非効率性を考慮した後、イベントレートは同程度である。