[論文レビュー] Higgs boson pair production at the Photon Linear Collider in the two Higgs doublet model

Eri Asakawa, Daisuke Harada+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、2つのヒッグスダブルレットモデル（THDM）における光子-光子融合を介したヒッグスボソン対生成を、光子線形衝突加速器で検討し、追加のヒッグスボソンによる1ループ補正による三ヒッグスカップリング（$hhh$）のずれに注目する。非分解効果および電荷付きヒッグスボソンのループが、重い追加ヒッグス粒子質量（$m_\Phi > 350$ GeV）において、$\gamma\gamma \to hh$ 戦断の最大100％の増幅をもたらすことが判明し、これにより将来の衝突加速器で検出可能となる。

ABSTRACT

We calculate the cross section of the lightest Higgs boson pair production at the Photon Linear Collider in the two Higgs doublet model. We focus on the scenario in which the lightest Higgs boson has the standard model like couplings to gauge bosons. We take into account the one-loop correction to the $hhh$ coupling as well as additional one-loop diagrams due to charged bosons to the $γγ o hh$ helicity amplitudes. We discuss the impact of these corrections on the $hhh$ coupling measurement at the Photon Linear Collider.

研究の動機と目的

• 光子線形衝突加速器（PLC）における $\gamma\gamma \to hh$ を通じた $hhh$ カップリング測定の統計的感度を評価すること。
• 追加のヒッグスボソンに起因する新しい物理効果が、2ヒッグスダブルレットモデル（THDM）における $\gamma\gamma \to hh$ プロセスに与える影響を調査すること。
• 特に電荷付きヒッグスボソンおよび修正された $hhh$ 頂点に起因する1ループ補正が、$hhh$ カップリング測定に与える影響を評価すること。
• 将来のPLCエネルギーにおける $\gamma\gamma \to hh$ チャネルにおけるTHDMのシグネチャの検出可能性を特定すること。
• 特に中間ヒッグスボソン質量領域（140–200 GeV）において、PLCの $hhh$ カップリングに対する感度をILCと比較すること。

提案手法

• ポール図およびボックス図を含む1ループ振幅を用いて、標準模型（SM）およびTHDMにおける $\gamma\gamma \to hh$ 戦断を計算する。
• 追加ヒッグスボソンの非分解効果に起因する $hhh$ カップリングへの1ループ補正（$\Gamma_{hhh}^{\rm THDM}$）を組み込む。
• $\gamma\gamma \to hh$ のスピン振幅に、電荷付きヒッグスボソンの追加ループ寄与を含める。
• 光子のランプスペクトルを用いて、部分過程戦断（$\hat{\sigma}(+,+)$）を $e^-e^- \to \gamma\gamma \to hh$ 全戦断に畳み込む。
• $e^-$ ビームの偏光度 $+0.45$、レーザービームの偏光度 $-1$ の条件を適用し、$hhh$ 頂点に敏感な振幅を分離する。
• 100％のタギング効率および $1/3~{\rm ab}^{-1}$ の光度を仮定し、イベント数のずれ $|N(\delta\kappa) - N(\delta\kappa=0)| = \sqrt{N(\delta\kappa=0)}$ を用いた統計的感度解析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加ヒッグスボソンの非分解効果により、THDMにおける $\gamma\gamma \to hh$ 戦断が標準模型（SM）予測からどの程度ずれるか。
• RQ2 電荷付きヒッグスボソンループが、PLCにおける $\gamma\gamma \to hh$ 振幅および戦断に果たす役割は何か。
• RQ3 PLCにおけるヒッグスボソン質量（$m_h$）および中心系エネルギー（$\sqrt{s}$）の変化に伴い、$hhh$ カップリングへの感度はどのように変化するか。
• RQ4 特に中間ヒッグスボソン質量領域において、$\gamma\gamma \to hh$ におけるTHDMのシグネチャは、SMと区別可能か。
• RQ5 実際の追加ヒッグス粒子生成の閾値以下の領域において、有効な $hhh$ 頂点と電荷付きヒッグスボソンループの寄与が $\gamma\gamma \to hh$ プロセスにどのように作用するか。

主な発見

• 質量 $m_\Phi > 350$ GeV の場合、$\gamma\gamma \to hh$ 戦断は、$\Delta\Gamma_{hhh}^{\rm THDM}/\Gamma_{hhh}^{\rm SM}$ の大きな非分解補正に起因し、標準模型（SM）と比較して最大 ${\cal O}(100\%)$ の増幅を示す。
• 質量 $m_\Phi < 300$ GeV の場合、低エネルギー領域における電荷付きヒッグスボソンループ効果が抑制されるため、戦断のSMからのずれは比較的小さく（10–20％）なる。
• 実際の電荷付きヒッグス粒子対生成の閾値以下の領域では、有効な $hhh$ 頂点と電荷付きヒッグスボソンループ寄与が支配的となり、戦断の増幅が最も顕著に現れる。
• $m_\Phi = 250$–$400$ GeV の範囲では、電荷付きヒッグスボソンループと強化された $hhh$ 頂点の両方の寄与により、戦断はSM値を40–50％上回る。
• $\sqrt{s} = 350$ GeV における全戦断は $m_\Phi$ に強く依存しており、$\sqrt{s} \sim 350$ GeV のピークは $m_\Phi$ が小さい場合、$\Delta\Gamma_{hhh}^{\rm THDM}/\Gamma_{hhh}^{\rm SM}$ の減少により小さくなる。
• 有効な $hhh$ 頂点と $\Gamma_{hhh}^{\rm THDM}$ を用いた近似（ケースe）は、$\sqrt{s} \ll 2m_\Phi/0.8$ の領域で全戦断をよく再現しており、素粒子物理学的研究においてその有効性が裏付けられる。