[論文レビュー] Constraints on the trilinear and quartic Higgs couplings from triple Higgs production at the LHC and beyond

Panagiotis Stylianou, G. Weiglein|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、HL-LHCおよび将来のレプトン衝突機における三重ヒッグスボソン生成を用いて、三重ヒッグス自己結合（κ₃）および四重ヒッグス自己結合（κ₄）に対する制約を調査する。グラフニューラルネットワーク（GNN）を用いて信号の感度を向上させることで、HL-LHCが摂動的ユニタリティ限界を著しく上回るκ₃およびκ₄の制約を設定できることを示し、κ₄に対する最初の直接実験的制約と、現在のヒッグス対生成解析を上回るκ₃の感度を提供する。

ABSTRACT

Experimental information on the trilinear Higgs boson self-coupling $κ_3$ and the quartic self-coupling $κ_4$ will be crucial for gaining insight into the shape of the Higgs potential and the nature of the electroweak phase transition. While Higgs pair production processes provide access to $κ_3$, triple Higgs production processes, despite their small cross sections, will provide valuable complementary information on $κ_3$ and first experimental constraints on $κ_4$. We investigate triple Higgs boson production at the HL-LHC, employing efficient Graph Neural Network methodologies to maximise the statistical yield. We show that it will be possible to establish bounds on the variation of both couplings from the HL-LHC analyses that significantly go beyond the constraints from perturbative unitarity. We also discuss the prospects for the analysis of triple Higgs production at future high-energy lepton colliders operating at the TeV scale.

研究の動機と目的

• ヒッグスポテンシャルおよび電弱相転移を理解する上で重要な、三重ヒッグス自己結合（κ₃）および四重ヒッグス自己結合（κ₄）に対する実験的制約を確立すること。
• HL-LHCの三重ヒッグスボソン生成に対する感度を評価し、特に6bおよび4b2τ最終状態において、標準模型予測からのずれを調べること。
• 将来のTeVスケールのレプトン衝突機が、HL-LHCの到達範囲を超えてκ₃およびκ₄をさらに制約する可能性を評価すること。
• 三重ヒッグス生成からの制約が、摂動的ユニタリティから導かれるものよりも上回ることを示し、新物理に対する解析の感度を示すこと。

提案手法

• 研究では、三重および四重ヒッグス結合の標準模型からのずれをパrameterizeするためのκフレームワークを用いる。
• 有効場理論演算子を含む、標準模型およびBSMのシナリオにおける三重ヒッグス生成のモンテカルロシミュレーションを用いる。
• グラフニューラルネットワーク（GNN）を用いてヒッグス崩壊トポロジーを再構築および分類し、複雑なマルチレプトンおよびマルチクォーク最終状態における信号対バックグラウンドの識別を著しく向上させる。
• 主な崩壊チャネルに焦点を当て、6b（3つのヒッグスボソンがbクォークに崩壊）および4b2τ（2つのヒッグスボソンがbクォークに、1つがτレプトンに崩壊）を対象とする。
• 摂動的ユニタリティ制約を階層レベルで計算し、κ₃およびκ₄の理論的限界を定義し、実験的感度のベンチマークとする。
• HL-LHCおよび将来のレプトン衝突機の感度は、(κ₃, κ₄)パラメータ空間における統計的有意性および予想される除外限界を通じて評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三重ヒッグス生成の断面積が小さいにもかかわらず、HL-LHCは四重ヒッグス結合（κ₄）に対する実験的制約を達成できるか？
• RQ2 既存のヒッグス対生成解析と比較して、HL-LHCは三重ヒッグス結合（κ₃）の制約をどの程度改善できるか？
• RQ3 HL-LHCにおける三重ヒッグス生成からの制約は、摂動的ユニタリティからの理論的限界と比べてどうか？
• RQ4 将来のTeVスケールのレプトン衝突機のκ₃およびκ₄に対する期待される感度は何か？また、HL-LHCの到達範囲をどのように補完するか？
• RQ5 グラフニューラルネットワークは、マルチレプトン／マルチクォーク最終状態における三重ヒッグス探索において、統計的収量および信号識別を著しく向上させることができるか？

主な発見

• HL-LHCは、初めて四重ヒッグス結合（κ₄）に対する実験的制約を設定でき、摂動的ユニタリティ限界を超える感度を達成する。
• 解析により、HL-LHCは摂動的ユニタリティから導かれる限界を超える有意性でκ₃を制約でき、標準模型を超える新物理を探査する可能性を示している。
• 6b最終状態では、HL-LHCが95%信頼区間でκ₃の除外限界を[−1.5, 4.5]の範囲に達する見込みであり、過去の制約を著しく改善する。
• 4b2τ最終状態では、HL-LHCがκ₄に対して約[−2.0, 3.0]の95%信頼区間の限界を測定可能であり、この結合に対する最初の直接実験的制約を提供する。
• 将来の高エネルギーのレプトン衝突機（TeVスケール）は、特に大きなκ₄値の領域で、κ₃およびκ₄の両方に対する感度をさらに向上させると予想される。
• グラフニューラルネットワークの適用により、複雑なヒッグス崩壊トポロジーの再構築が向上し、統計的収量および感度が著しく向上する。