[論文レビュー] Double Higgs production at TeV Colliders in the Minimal Supersymmetric Standard Model

R. Lafaye, D.J. Miller+2 more|ArXiv.org|Feb 23, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるグルーオン融合による二重ヒッグス粒子生成（pp → hh）および将来の線形衝突機におけるe⁺e⁻対消滅（e⁺e⁻ → hhZ）において、最小超対称標準模型（MSSM）内でのH → hh共鳴モード（m_H ≳ 2m_hのとき）を対象とし、Hhh三重項結合がこれらの過程を通じて探査可能であることを示している。共鳴生成による信号強化と背景の低減により、特に背景がほとんどない線形衝突機では信号の有意性が高く、検出可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

The reconstruction of the Higgs potential in the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) requires the measurement of the trilinear Higgs self-couplings. The `double Higgs production' subgroup has been investigating the possibility of detecting signatures of processes carrying a dependence on these vertices at the Large Hadron Collider (LHC) and future Linear Colliders (LCs). As reference reactions, we have chosen $gg o hh$ and $e^+e^- o h h Z$, respectively, where $h$ is the lightest of the MSSM Higgs bosons. In both cases, the $Hhh$ interaction is involved. For $m_H>2m_h$, the two reactions are resonant in the $H o hh$ mode, providing cross sections which are detectable at both accelerators and strongly sensitive to the strength of the trilinear coupling involved. We explore this mass regime of the MSSM in the $h o b\bar b$ decay channel, also accounting for irreducible background effects.

研究の動機と目的

• 将来のTeV衝突機におけるMSSM内でのヒッグス自己結合の測定可能性を評価すること。
• 高tanβおよび中程度のmAにおける、軽いヒッグス粒子hのh → bb̄bb̄最終状態における発見可能性を評価すること。
• m_H ≳ 2m_h領域における、特にHhh頂点を調べるための共鳴的H → hh生成をヒッグス系のプローブとして調査すること。
• ハドロン的（LHC）およびレプトン的（LC）環境における二重ヒッグス生成の信号対背景比を比較すること。
• 現実的な検出器効果および背景抑制がLHCにおける信号の検出可能性を保持できるかどうかを特定すること。

提案手法

• LHCにおける主要な二重ヒッグス生成過程（gg → hh）および線形衝突機における過程（e⁺e⁻ → hhZ）を分析する。
• 中間ヒッグス状態H経由の共鳴チャネルに注目し、m_H ≳ 2m_hのときH → hhが成立する。
• 信号およびQCD・電弱背景の主要な階層の振幅をパートンレベルで計算し、干渉効果を含む。
• 運動量カットおよびbクォークタグギングを適用して、特に4b最終状態における信号対背景比を向上させる。
• 検出器の受容性を考慮し、信号再構成において高いbタグ効率と純度を仮定する。
• 断面積および背景寄与を比較し、不可避なQCD（O(α_s⁴)）、電磁的（O(α_em⁴)）、混合（O(α_s²α_em²)）過程を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MSSMにおけるHhh三重項結合は、LHCおよび線形衝突機における二重ヒッグス生成によって探査可能か？
• RQ2 m_H ≳ 2m_hのとき、共鳴的H → hh生成が信号断面積をどのように増幅するか？
• RQ3 LHCにおける4b最終状態において、不可避なQCD背景が信号検出に与える影響は何か？
• RQ4 高純度bクォークタグギングおよび運動量カットが十分に背景を抑制し、信号を検出可能にするか？
• RQ5 H → hh共鳴領域において、e⁺e⁻衝突機とpp衝突機における信号断面積および背景レベルはどのように比較されるか？

主な発見

• gg → H → hhおよびe⁺e⁻ → HZ → hhZ経由の共鳴的H → hh生成により、LHCにおける信号断面積は、SMのレートと比較して最大2桁の増幅が達成される。
• 線形衝突機では、信号対背景比が極めて良好であり、背景寄与は10%未満に抑えられ、高有意性の測定が可能となる。
• 500 fb⁻¹の統合した光度の後、LHCでは低tanβでは156件の信号イベント、高tanβでは15件の信号イベントが期待される。これは理想的なbタグギングと背景抑制なしを仮定した場合の値である。
• 式(11)〜(14)による全制約を適用しても、信号断面積は約10⁻³ fbで検出可能であり、背景抑制が十分に信号率を可視化可能にする。
• 予備的な研究では、現実的な検出器シミュレーションおよびイベント再構成が、巨大なQCD背景にもかかわらずLHCにおける信号の検出可能性を保持できることが示唆されている。
• 本研究は、連続モードにおける二重ヒッグス生成が、特に高tanβにおいてヒッグス系の性質を探査する上で有望であることを示唆しているが、発見可能性の評価にはさらなる分析が必要である。