[論文レビュー] Effective field theory analysis of double Higgs production via gluon fusion

Aleksandr Azatov, Roberto Contino+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 59

ひとこと要約

本稿は、14 TeV LHCおよび将来の100 TeV衝突機におけるグルーオン融合による二重ヒッグス粒子生成の包括的な効果的場理論（EFT）解析を提示する。特に $hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ 終状態に注目し、詳細なモンテカルロシミュレーションとインバリアント質量分布を用いてEFT係数への感度を評価し、先行研究の限界を特定する。LHCではヒッグス三重項結合への精度は $O(1)$ に留まり、100 TeV衝突機では $3\,\text{ab}^{-1}$ の流量で約30%の精度が得られると予想される。

ABSTRACT

We perform a detailed study of double Higgs production via gluon fusion in the Effective Field Theory (EFT) framework where effects from new physics are parametrized by local operators. Our analysis provides a perspective broader than the one followed in most of the previous analyses, where this process was merely considered as a way to extract the Higgs trilinear coupling. We focus on the $hh o b\bar bγγ$ channel and perform a thorough simulation of signal and background at the 14 TeV LHC and a future 100 TeV proton-proton collider. We make use of invariant mass distributions to enhance the sensitivity on the EFT coefficients and give a first assessment of the impact of jet substructure techniques on the results. The range of validity of the EFT description is estimated, as required to consistently exploit the high-energy range of distributions, pointing out the potential relevance of dimension-8 operators. Our analysis contains a few important improvements over previous studies and identifies some inaccuracies there appearing in connection with the estimate of signal and background rates. The estimated precision on the Higgs trilinear coupling that follows from our results is less optimistic than previously claimed in the literature. We find that a ~30% accuracy can be reached on the trilinear coupling at a future 100 TeV collider with 3 ab^-1. Only an O(1) determination seems instead possible at the LHC with the same amount of integrated luminosity.

研究の動機と目的

• 標準模型の三重項結合抽出を超えて、効果的場理論（EFT）フレームワークを用いて、より広範なニューエルス・フィジックスのダイナミクスを探索する。
• 14 TeV LHCおよび将来の100 TeV陽子-陽子衝突機における $hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ チャネルがEFT係数にどれほど感度を持つかを評価する。
• 高エネルギー領域におけるEFT記述の有効性を評価し、特に次元-8演算子の重要性を検討し、EFTアプローチの破綻スケールを推定する。
• 先行研究における信号およびバックグラウンド率の不正確さを是正し、EFTに基づく精度測定の信頼性を向上させる。
• ジェットのサブストラクチャーテクニックが、高質量ヒッグス対終状態における信号-バックグラウンド分離に与える影響を調査する。

提案手法

• 二重ヒッグス生成に関連する次元-6および次元-8演算子に焦点を当て、ニューエルス・フィジックス効果を局所的演算子としてパラメータライズする体系的EFTフレームワークを採用する。
• 14 TeVおよび100 TeVの中心系エネルギー下での $b\bar{b}\gamma\gamma$ 終状態の信号およびQCDバックグラウンド過程について、詳細なモンテカルロシミュレーションを実施する。
• 運動量カットおよびインバリアント質量再構成を適用し、特にヒッグス対系の高質量領域におけるEFT係数への感度を向上させる。
• 木レベルで部分素因数化（PS）にマッチしたLO+PSサンプルを用い、NLO断面積を近似する。完全なNLOシミュレーションと整合性を確認することで妥当性を検証する。
• 光子の分離および反-$k_t$アルゴリズム（$R=0.3$）を用いたジェット再構成を実装し、実際の検出器に類似したカットを適用して実験的条件を模擬する。
• パワー数え上げを用いてEFTの有効範囲を評価し、次元-8演算子が顕著になるエネルギースケールを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス三重項結合を超えて、$hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ チャネルがEFT係数にどれほど感度を持つのか。
• RQ2 同じ流量下で、14 TeV LHCと将来の100 TeV衝突機におけるヒッグス三重項結合の精度はどのように比較されるか。
• RQ3 次元-8演算子は二重ヒッグス生成にどれほど寄与するのか。また、EFT記述はどのエネルギースケールで破綻するのか。
• RQ4 ジェットのサブストラクチャーテクニックは、高質量ヒッグス対終状態における信号-バックグラウンド分離にどのように影響するか。
• RQ5 先行の信号およびバックグラウンド率推定における主な誤りは何か。それらはEFT感度予測にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 14 TeV LHCにおいて $3\,\text{ab}^{-1}$ の流量で得られるヒッグス三重項結合への推定精度は、$O(1)$ に留まり、以前の主張よりも著しく楽観的ではない。
• 将来の100 TeV衝突機において $3\,\text{ab}^{-1}$ の流量を用いることで、インバリアント質量分布解析によりヒッグス三重項結合の精度が約30%に達する。
• マッチドLO+PSサンプルは完全なNLO断面積を信頼できる近似として提供し、$k$-要因は約2であり、微分断面積においても良好な一致を示す。
• 主要な運動量変数（例：$m_{b\bar{b}}$, $m_{\gamma\gamma}$, $m_{hh}$）の微分断面積は、LOマッチドと完全なNLOサンプルの間で良好に一致しており、効率および感度の研究に前者を用いる妥当性が裏付けられる。
• 次元-8演算子は高エネルギー領域で実際に重要である可能性があり、理論的不確実性を制御するためにはEFTの有効範囲を慎重に推定する必要がある。
• 本研究では、運動量カットおよび再構成効率の文脈における、先行研究における信号およびバックグラウンド率推定の誤りを同定し、是正した。