[論文レビュー] Further on up the road: $hhjj$ production at the LHC

Matthew J. Dolan, Christoph Englert+2 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Oct 3, 2013

Distributed and Parallel Computing Systems被引用数 32

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける2つのジェットを伴う二重ヒッグスボソン生成（$hhjj$）の完全な微分的ハドロンレベル解析を提示し、グルーオン融合寄与における有限のトップおよびボトムクォーク質量効果の重要な役割に焦点を当てる。弱いボソン融合（WBF）寄与は劣勢であり統計的に制限されているが、将来の三重ヒッグス結合および四重ヒッグス結合への感受性を高めるために、位相空間依存の再重み付けを有効場理論計算に施すことで、トップおよびボトムクォーク質量依存性を保持する必要がある。

ABSTRACT

A measurement of the $hh+2j$ channel at the LHC would be particularly thrilling for electroweak physics. It is not only the leading process which is sensitive to the $W^+W^- hh$ and $ZZhh$ interactions, but also provides a potentially clear window to study the electroweak symmetry-breaking sector by probing Higgs-Goldstone interactions through the weak boson fusion component of the scattering process. Until now, a phenomenologically complete analysis of this channel has been missing. This is mostly due to the high complexity of the involved one-loop gluon fusion contribution and the fact that a reliable estimate thereof cannot be obtained through simplified calculations in the $m_t o \infty$ limit. In particular, the extraction of the Higgs trilinear coupling from this final state rests on a delicate $m_t$-dependent interference pattern which is not captured in an effective field theory approach. In this paper, we report on the LHC's potential to access di-Higgs production in association with two jets in a fully-showered hadron-level analysis. Our study includes the finite top and bottom mass dependencies for the gluon fusion contribution. On the basis of these results, we also comment on the potential sensitivity to the trilinear Higgs and $VV^\dagger hh$ ($V=W^\pm,Z$) couplings that can be expected from measurements of this final state.

研究の動機と目的

• LHCにおける$hhjj$生成の現象論的完全な解析を提供すること。これには、完全なハドロンレベルシミュレーションと現実的なバックグラウンドモデル化を含む。
• グルーオン融合における$m_t$依存干渉効果を捉えられない有効場理論手法の限界を扱い、これが三重ヒッグス結合抽出に不可欠であることを示すこと。
• $hhjj$がヒッグス三重結合$\lambda_{\text{SM}}$および$VV^\dagger hh$四重結合の探査にどの程度有効であるかを評価すること。
• WBF支配の$hhjj$イベントが、その劣勢性と低統計的パワーにもかかわらず、信号抽出に実現可能であるかを評価すること。

提案手法

• MadGraphおよびGoSamに基づくスタンドアロンライブラリを開発し、有効理論計算に位相空間点依存の再重み付け手順を実装した。
• この手法により、グルーオン融合振幅におけるトップおよびボトムクォーク質量の完全な依存性が保持され、$m_t \to \infty$極限では欠落する$m_t$依存干渉パターンが是正された。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、$b\bar{b}$、$\tau^+\tau^-$、$\gamma\gamma$の崩壊モードを含む完全なハドロンレベル最終状態をモデル化した。
• エネルギー運動量フローおよびジェットのサブストラクチャなどの運動量観測量を用い、WBFとグルーオン融合寄与を区別した。
• $b$および$\tau$タギングを含むバックグラウンド遮断戦略を現実的にモデル化し、信号対バックグラウンド比を評価した。
• 異なる位相空間領域における三重および四重ヒッグス結合への感受性を評価するための統合的解析フレームワークを構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける$hhjj$生成の完全な微分的ハドロンレベル解析は、有限のトップおよびボトムクォーク質量を考慮した場合に、グルーオン融合寄与を信頼性高くモデル化できるか？
• RQ2 弱いボソン融合（WBF）とグルーオン融合（GF）の間で$hhjj$最終状態への寄与比はどの程度で、標準的手法でWBFを分離できるか？
• RQ3 グルーオン融合における$m_t$依存干渉は、$hhjj$におけるヒッグス三重結合抽出にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 WBFが劣勢である場合でも、$hhjj$生成が$VV^\dagger hh$四重結合の測定に有効なチャンネルとして機能できるか？
• RQ5 高出力LHCにおけるヒッグス系の新しい物理を探査するにあたり、$hhjj$の期待される統計的パワーはどの程度か？

主な発見

• グルーオン融合寄与は$hhjj$生成において支配的であり、有限のトップおよびボトムクォーク質量を無視した有効場理論近似では信頼性の低いモデル化が行われる。
• 有限の$m_t$および$m_b$効果は、正確な三重ヒッグス結合抽出に不可欠な繊細な干渉パターンを生じさせ、簡略化された計算では捉えられない。
• 弱いボソン融合（WBF）寄与は劣勢であり、3 ab$^{-1}$あたり約30イベントにとどまり、標準的手法では統計的に無視できる。
• WBF成分は$VV^\dagger hh$結合に強く依存するが、その低発生率のため、高度なジェットサブストラクチャおよび行列要素手法なしでは直接の結合測定には不適切である。
• 位相空間依存の再重み付け手法を成功裏に実装し、$m_t$および$m_b$の完全な依存性を保持することができ、正確な信号モデル化が可能になった。
• 課題は存在するが、高出力LHCにおいてヒッグス自己結合および四重ゲージ結合を探査するための有効で補完的なチャンネルとして、$hhjj$最終状態は依然として有効である。特に、高度な再構成技術と組み合わせればその有効性は向上する。