[論文レビュー] Constraining the Higgs boson self-coupling from single- and double-Higgs production with the ATLAS detector using $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2934 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、13 TeVの陽子-陽子衝突からの1つのHiggsボソンおよび2つのHiggsボソンの生成の解析を、ATLAS Run 2の全データセット（126–139 fb⁻¹）を用いて統合し、Higgsボソンの自己結合を制約する。2つのHiggsボソン生成の𝑏𝑏̄𝛾𝛾、𝑏𝑏̄𝜏⁺𝜏⁻、𝑏𝑏̄𝑏𝑏̄崩壊チャンネルと、1つのHiggsボソン生成のγγ、𝑍𝑍∗、𝑊𝑊∗、𝜏⁺𝜏⁻、𝑏𝑏̄チャンネルを組み合わせることで、他の結合係数が標準模型の値に固定されていない状況において、Higgs自己結合係数modifier 𝜅𝜆 に対して、95%信頼水準で −1.4 < 𝜅𝜆 < 6.1 の範囲外の値を除外する、これまでで最も厳しい制約を与える。

ABSTRACT

Constraints on the Higgs boson self-coupling are set by combining double-Higgs boson analyses in the bb¯bb¯, bb¯τ+τ− and bb¯γγ decay channels with single-Higgs boson analyses targeting the γγ, ZZ⁎, WW⁎, τ+τ− and bb¯ decay channels. The data used in these analyses were recorded by the ATLAS detector at the LHC in proton–proton collisions at s=13 TeV and correspond to an integrated luminosity of 126–139 fb−1. The combination of the double-Higgs analyses sets an upper limit of μHH&lt;2.4 at 95% confidence level on the double-Higgs production cross-section normalised to its Standard Model prediction. Combining the single-Higgs and double-Higgs analyses, with the assumption that new physics affects only the Higgs boson self-coupling (λHHH), values outside the interval −0.4&lt;κλ=(λHHH/λHHHSM)&lt;6.3 are excluded at 95% confidence level. The combined single-Higgs and double-Higgs analyses provide results with fewer assumptions, by adding in the fit more coupling modifiers introduced to account for the Higgs boson interactions with the other Standard Model particles. In this relaxed scenario, the constraint becomes −1.4&lt;κλ&lt;6.1 at 95% CL.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおけるRun 2全データセットを用いて、直接的および間接的なプローブからHiggsボソンの自己結合係数 𝜆𝐻𝐻𝐻 を制約すること。
• 複数の崩壊チャンネルにわたる1つのHiggsボソンおよび2つのHiggsボソン生成解析を統合することで感度を向上させること。
• 他の標準模型粒子の結合係数modifierを固定せず、標準模型の値に仮定しないことでモデル依存性を低減すること。
• Higgs自己相互作用のずれと高次の補正への影響を調べることで、標準模型Higgs系の妥当性を検証すること。

提案手法

• 126–139 fb⁻¹の13 TeV陽子-陽子衝突データを用いて、𝑏𝑏̄𝛾𝛾、𝑏𝑏̄𝜏⁺𝜏⁻、𝑏𝑏̄𝑏𝑏̄崩壊チャンネルにおける2つのHiggsボソン生成を統合する。
• γγ、𝑍𝑍∗、𝑊𝑊∗、𝜏⁺𝜏⁻、𝑏𝑏̄チャンネルからの1つのHiggsボソン生成断面積および分岐比を、簡略化されたテンプレート断面積（STXS）パラメータ化を用いて統合する。
• κフレームワークを用いたグローバルフィットを実施し、Higgs自己結合係数modifier 𝜅𝜆 = 𝜆𝐻𝐻𝐻 / 𝜆𝑆𝑀𝐻𝐻𝐻 を変化させ、他の結合係数modifier（𝜅𝑡、𝜅𝑏、𝜅𝜏、𝜅𝑉）を1に固定するか、自由に変動させる。
• NLO電弱補正を組み込み、これらは 𝜅𝜆 に依存し、1つのHiggsボソン生成および崩壊断面積に影響を与える。
• 観測されたおよび期待される2つのHiggsボソン信号強度の上限を導出し、観測された上限は95%信頼水準で標準模型予測の2.4倍に設定されている。
• 統計的不確実性は、ガウス分布を仮定しないテスト統計曲線から抽出され、信頼区間推定の堅牢性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS実験のRun 2全データセットを用いて、Higgsボソン自己結合係数modifier 𝜅𝜆 に対する最も厳しい制約は何か？
• RQ2 トップクォーク、 bottomクォーク、タウレプトン、ベクトルボソンの結合係数modifierを標準模型の値に固定するのではなく、自由に変動させた場合、𝜅𝜆 の制約はどのように変化するか？
• RQ3 𝜅𝜆 を介して媒介されるNLO電弱補正の間接的効果は、Higgs自己結合への感度向上にどの程度寄与するか？
• RQ4 𝑏𝑏̄𝛾𝛾、𝑏𝑏̄𝜏⁺𝜏⁻、𝑏𝑏̄𝑏𝑏̄ の複数の2つのHiggsボソン崩壊チャンネルの組み合わせ結果は、個別のチャンネルの上限と比べてどのように異なるか？
• RQ5 自己結合が唯一変更されるという仮定の下で、VBF2つのHiggsボソン生成から得られる𝑉𝑉𝐻𝐻頂点結合係数modifier 𝜅²𝑉 に対する制約は何か？

主な発見

• 標準模型予測に正規化した2つのHiggsボソン生成断面積の観測上限は、95%信頼水準で2.4である。
• 1つのHiggsボソンおよび2つのHiggsボソン解析を統合し、Higgs自己結合が標準模型からずれる場合に限って、95%信頼水準で −0.4 < 𝜅𝜆 < 6.3 の範囲外の値が除外される。
• 𝜅𝑡、𝜅𝑏、𝜅𝜏、𝜅𝑉 の結合係数modifierを自由に変動させた場合、𝜅𝜆 の制約は95%信頼水準で −1.4 < 𝜅𝜆 < 6.1 に緩和されるが、モデル依存性が低減される。
• 𝑉𝑉𝐻𝐻 頂点結合係数modifier 𝜅²𝑉 に対する制約は、他のHiggs結合がすべて標準模型の値にあると仮定した場合、95%信頼水準で 0.1 < 𝜅²𝑉 < 2.0 である。
• 標準模型の仮定の下での期待される除外範囲は −2.2 < 𝜅𝜆 < 7.7 であり、観測された上限と良好に一致している。
• 本研究は、Run 2全データセットからの直接的および間接的プローブを統合し、Higgsボソン自己相互作用に対して、これまでで最も厳しい制約を提供する。